上世纪四十年代，加州理工学院终身教授钱学森（陈坤 饰）因为美国兴起的反共言论而备受打击。他的尖端技术研究被迫中止，并被责令出境。钱学森心系祖国，归心似箭，而意识到钱学森的巨大价值的美方又对其归国设置了重重障碍，甚至以间谍罪逮捕钱学森。最终，宣告无罪的钱学森被长期软禁在家中。钱学森写信辗转与祖国取得联系，周恩来授命用11名美国战犯飞行员换回了钱学森。面对新中国技术、人才、工业等各方面的空白，钱学森带领科研人员从仿制入手，根据现有技术和条件逐步研究、完善，奠定了中国导弹的基础。