美国的卫星侦察到了中国正在进行原子弹试验，美苏两国立即商讨对华出手，周恩来下决心一定要搞出原子弹，箭在弦上，不得不发。毛泽东(唐国强饰)对此做出指示，尽早进行原子弹试验。中国的原子弹即将爆炸，美军派兵进驻台湾，苏联派兵进入蒙古边境，两国的导弹部队也部署好，威慑中国。蒋介石与此同时也制订了“飞龙计划”，与美国联手获取我核试验资料。我国的原子弹零食被定为一九六四年十月十六日十五时，毛泽东建议联合各国政府召开首脑会议，制定使用核武器的原则。
总指挥带领科学家们到楼兰古城观光，第一颗原子弹即将进行爆炸试验，起爆前装置经过检验。一九六四年十月十六日十五时中国第一颗原子弹爆发出巨响，试验成功。毛泽东(唐国强饰)指示先不要在国际上公开发布。国际社会捕捉到这一动态，这个消息同时被蒋介石得知。
邓稼先的家人得知邓稼先是研究原子弹的功臣都为此感到骄傲，而邓稼先的母亲因病不治去世，邓稼先觉得愧对母亲。爱萍送给毛泽东(唐国强饰)一块原子弹爆心的石头。周恩来(孙维民饰)让奇清加强涉外的人员与物品的检查，防止敌特、间谍猎取我国情报。同时我方截获了瓦特夫妇用来窃取机密情报的老鼠、相机等。毛泽东和周恩来又委任邓稼先为首带领科学家进行氢弹的研究。
中央决定成立导弹工业部，钱学森(陈建斌饰)任副部长。瓦特和许林德互相勾结窃取我国核情报，被我方发现并严密监控并抓获。一九六四年十二月二十一日，周恩来首次提出四个现代化建设的要求。
一向反对祝寿的毛泽东(唐国强饰)在七十一岁生日那天破例宴请了一些中央领导和科学家、劳模，钱学森在这顿饭当中泛起了要让卫星升天的梦想。蒋介石约见美国代表商谈，希望寻求美国的帮助，对付中共，这时中央政府的氢弹和卫星的研究已经进入攻坚阶段。
邓稼先的努力没有白费，计算证明氢弹的理论已经成形，中国继原子弹过后仅仅一年的时间就研制出氢弹的方案。一九六五年十二月，会议决定在六七年底至六八年初对氢弹进行氢弹空投，与此同时，两弹结合工作也在进行。
郭永怀的氢弹薄壳装置为我国氢弹的重量降低了百分之二十，基本达到了实战要求，为我国氢弹事业做出了不可磨灭的贡献。国内十年文革动乱爆发，聂荣臻面临着巨大的压力，但他依然不放弃国防工作，继续进行着两弹结合的事业，并在实弹发射准备上取得了巨大突破。
