1965年春节前夕，沈阳机械二厂的工人为即将到来的十周年厂庆练习合唱，食堂马大娟不满郝大丽的丈夫宋明飞当上技术部主任，自己丈夫苏林没当上在排练中捣乱，郝大丽拿刀子嘴的大娟没办法。厂庆在《歌唱祖国》高亢的歌声中落幕，童厂长讲话带来了震惊的消息，为支援三线建设全厂将有一大半的职工开往祖国的大西南――西川建厂，全厂职工从很惊讶到为报效祖国的热情所点燃，争相报名。宋明飞激动的告诉大丽已经把两人名字都报上了，大丽吃惊转而怒怨明飞先斩后奏，气愤离场。大丽考虑到年迈的母亲坚决不同意去西川，从未红过脸的夫妻为此事吵翻了天，明飞还动手打了大丽。体弱多病的苏林替补大丽成为去西川的人选，大娟原本高兴的心情立刻被气愤填满，年三十打到了大丽家，饭桌掀翻，大丽妈心脏病发住进了医院。去往三线的日子到了，大丽默默的为明飞收拾行礼，不舍之情溢于言表，两个孩子也大哭不让爸爸走。大娟不满的跟着苏林登上了去往西川的专列。医院里大丽妈逼大丽去追明飞，告诉她有丈夫的地方那才是家。大丽泪别母亲追赶明飞，在列车要开的一刹那一家人欣喜团聚，上演了追车好戏。
大丽上车后不久就生病，人也烧得迷迷糊糊，明飞悉心照顾。大娟不停的报怨大丽，如果她同意去西川自己一家就不用跋山涉水，苏林拿大娟一点办法也没有。火车停在四川境内的西坝，卫东随大丽、明飞下车透气，拥东单独留在车厢里，被窗外棉花糖吸引。火车要开了，大丽和明飞找不到卫东，十分焦急，众人又是协调晚开车，又是撒开网找，终于，大娟在墙角找到了捉蝈蝈的卫东。大丽痛打卫东，上了火车也在心疼的数落卫东。突然，她发现拥东不在座位上，刚找到卫东又丢失拥东的大丽犹如天崩地，疯了似的满火车找，火车无法停下，大丽在哭天喊地中昏了过去。火车渐行渐远，大丽和拥东的距离也越来越远。明飞公务缠身，无法自己去找，只能让厂秘书陈昊带人去找，这让大丽对明飞很失望。经过了一路的颠簸，众人终于来到了基本上属于一片荒芜的深山工厂--820厂，这个番号在今后的几十年深深的影响着几代人。大娟对这个环境充满抵触，但热心肠的她还是主动去看望大丽，一看到大丽住的条件比她好不禁又心生嫉妒。大丽偷跑下山，被外出进料的雷建彬阴差阳错遇到，带回了厂。明飞心疼大丽，一边努力安慰，一边忙着新任务，心力交瘁。西川天潮，当地人靠吃辣椒缓解，雷建彬和宋明飞一文一武因为吃辣椒惺惺相惜。陈昊没找到拥东，大丽希望破灭，趁明飞上班跑到长途汽车站，明飞急忙丢下工作，临行前嘱咐雷建彬务必把钢架固定好。
陈昊开车陪明飞找大丽，心里很不高兴，觉得自己大材小用。明飞在候车室找到了睡梦中都在喊着拥东的大丽，心疼的向她承诺回厂一定向领导请假，跟她一起找拥东。大丽一大早满心欢喜的又洗又涮，中午做了红烧肉，谁知没有等到请假归来的明飞，等来的却是他的死讯。双重打击下的大丽没有哭，她已经麻木了，默默的给明飞操办着身后事。大丽收拾行礼打算离开这，面对明飞的骨灰，大丽终于忍不住崩溃了，失声痛哭，泪水犹如决堤，这个伤心的地方大丽一分钟也不想再待。雷建彬拦下要走的大丽和卫东，告诉她宋主任是为救自己而死，自责一直折磨着这个硬汉，他希望大丽打他，骂他，大丽哭着扔下木棍踉跄回屋，留下一脸忏悔的雷建彬，小卫东也对雷建彬弃满了仇恨。追悼会后，雷建彬把照顾大丽和卫东当成了以后生活的目标，但大丽不想再见这个人。陈昊狐假虎威的念雷建彬撤职处份引起工人反感。宋明飞死后，u-371任务只能交给体弱多病的苏林。大丽向童厂长申请调回沈阳，希望把在西川丢儿子、丈夫去世的错误结束，童厂长无奈只好同意她先回沈阳。技术上的差距使得苏林再努力也没设计成功，工人因为知道无法设计出产品而军心涣散。
苏林日夜工作终于累倒住进了医院，大娟以为苏林死了号啕大哭，引起乌龙。童厂长暂调不来技术人员，恳求大丽留下，而大丽心意已决一心只求离开。雷建彬来找大丽被拒之门外，他一翻发自肺腑的话引来了大丽的痛哭。但这也让她回想起了明飞生前对这个项目的激情和努力。冥冥之中仿佛上天安排，临行前厂里车子坏了，看着众人努力的为她推车和过往明飞的种种，大丽决定留下完成这个项目再走。大丽在车间的出现引起了众厂工的欢呼，大家又重拾信心。大娟佩服大丽的坚强但也忍不住唠叨大丽出尔反尔，要走又不走，但食堂打饭还是给她打得满满的。有了完成丈夫遗愿的信念，大丽废寝忘食，和苏林一起终于设计生产出了第一个合格的产品，大家都开心不已。深夜，苏林在抄数据，累得坚持不住睡着了，大娟心疼帮他抄了一点。厂里送去的第一批样品全部不合格，大丽很自责。雷建彬看到大丽的焦虑、吃不下饭很关心，大丽表示想清楚了不再怪他，雷建彬很激动！苏林在家排查不出原因抽烟被大娟唠叨，两人言语争执中，苏林突然发现有一组数据抄反了，大娟紧张矢口否认与自己有关。大丽和苏林怕别有用心份子故意搞破坏请童厂长调查此事，童厂长笑称只是抄错数了没事。陈昊此时上纲上线，保证一定抓到这个坏人。陈昊借此事大显威风让全厂职工每人都写一份工作汇报交给自己。大娟担心被认作敌特，又不敢向苏林说明，整天心神不宁，洗澡穿错鞋，问啥不知道，向雷建彬寻问敌特会判几年而被雷取笑。
陈昊发现端倪，把大娟带到厂保卫科，大娟刚开始态度强硬，希望能挺过去，在陈昊的一番威吓下，大娟哭着承认不是故意抄错的，大丽主动把责任拦下，大娟打心眼里感谢大丽。陈昊争辩希望厂里能严肃处理，厂长语重心长教育陈昊希望他把心思多放在工作上，并把有人写的检举信给他看，陈昊心里很不服气。经过大丽的不懈努力，u-371不仅设计成功还得到了优化，大丽激动的哭了起来。820厂步入正轨，大丽因此被评为“劳模”也被众厂工评为“第一代厂花”。雷建彬一直悄悄的在工作和生活上给予大丽支持，大丽的心也被默默的融化。又是大年三十，雷建彬和大丽的一番长谈彻底消除了间隙。工人们吃过饭又都不自觉的回到岗位工作，整个车间热火朝天，后厨也不甘势弱，包着薄皮大陷的饺子。新年的钟声敲响，窗外炮竹声声，一曲《歌唱祖国》让整个车间热闹非凡，整个820厂度过了一个革命化的春节。文化大革命以燎原之势在全国漫延，沈阳受到了影响，陈昊也想跟上形式，被童厂长按下，要他先搞生产。大丽觉得自己完成了使命，想悄悄回沈阳，大娟帮着收拾东西，两人惜别。雷建彬听说大丽走了，慌忙来找童厂长，童厂长下令一定要追回大丽。
