1952年，上海港務局的青年聚會上，黃旭華(黃曉明 飾)和妻子李世英(陳好 飾)相識，那是李世英第一次給黃旭華理發，沒想到一理就是一輩子。黃旭華要去新海造船研究所工作，李世英也要去大連進修俄語。李世英跑到碼頭，就為了給黃旭華送理發的工具，險些耽誤幾十個人的車。1954年，在蘇聯專家瓦西里仿制魚雷的課堂上，黃旭華問了有關潛艇的問題。嚴保國是瓦西里的助理并翻譯，蘇聯老大哥的意思是中國目前的工業水平無法制造艦船。黃旭華不認同，他們不能永遠跟在別人的屁股后面，再說新中國百廢待興，有了艦艇能更好地保衛自己的國家。瓦西里稱蘇聯海軍很強，一旦中國被侵略，蘇聯會保衛他們的。嚴保國都不知要如何給黃旭華翻譯，猶豫后還是實話實說，最后勸黃旭華不要再問與仿制魚雷無關的問題。課后，黃旭華又想問瓦西里有關潛艇的問題，嚴保國將他攔住，雖說非常敬佩他的鉆研，但老大哥現在只想教他們仿制，黃旭華還偏就不信。為了請教有關艦艇的問題，黃旭華在吃飯時用蹩腳的俄語發問，可是瓦西里根本就聽不懂，一頭霧水。嚴保國趕緊將黃旭華拉走，明確蘇聯專家吃飯時不能打擾，吃完飯還得休息，勸黃旭華不要再打擾。黃旭華正勤奮努力學習俄語，與來這里當翻譯的李世英巧遇。李世英是新來的翻譯，嚴保國介紹自己是臨時分配給瓦西里當助理。李世英是第一次給瓦西里當隨堂翻譯，問嚴保國有什么需要注意的。嚴保國轉眼看到黃旭華，說明一會只要黃旭華問問題，一定不要翻譯。結果課堂上，李世英是點名黃旭華提問，令嚴保國震驚。課后，李世英找了個地方給黃旭華理發。黃旭華和李世英有情人終成眷屬結婚了，接受大家的祝福。婚宴上，黃旭華和嚴保國又為學術上的事情吵了起來，嚴保國認為國家現在要發展水面艦艇而不是潛艇，黃旭華不同意，兩人又爭論起來。1958年的某一天，黃旭華準備去上班，非常舍不得離開女兒。李世英想著他們前段時間拍的全家福，要給黃旭華放在錢包里，只不過好像有點大要修剪下，黃旭華讓李世英慢慢修剪，自己馬上遲到要去上班了。黃旭華剛到研究所，石所長就找他，給他一封信和車票，要他馬上出發去北京。黃旭華想知道是什么事這么著急，石所長無奈，這是專線電話，她無權過問。黃旭華馬上就要出發去火車站，趕緊寫了張紙條，拜托嚴保國交給李世英就匆匆忙忙跑了。黃旭華來到北京一處軍事管理區，一同前來的一共二十九位來自五湖四海的同志。新單位負責人于所長知道大家現在心里是七上八下，他們都是接到緊急電話催促來到這里，來不及跟家人打招呼，來這里做什么也不知道。于所長宣布他們將要從事的這項任務保密性極強，要斷絕與外界的一切聯系，任何與工作相關的內容都不能暴露分毫，一輩子要做無名英雄。于所長問大家有沒有什么想法，或者想改主意可以提出來，最后是無一人退出。于所長宣布大家此行的目的，1954年，美國研制了第一艘核潛艇，這個龐然大物是想出就出想打就打，但我們絕不是一個任人宰割的國家，我們要有自己的定海神針，中央決定即刻起，開始研發自己的核潛艇，大家面向國旗進行宣誓。所長來家里通知李世英，黃旭華有政治任務，暫時回不來，家里有什么事組織上會解決。黃旭華和其他幾位同志出去買書，回來在門口被哨兵攔住，他們沒有證件不讓放行。黃旭華等人為此找于所長抱怨他們就跟雜牌軍一樣，于所長解釋他們就是雜牌軍，執行的是保密任務，決定以后安排一個特殊口令讓哨兵放行。