2009年秋，钱学森(陈坤饰)已近垂暮，总理亲来探望。钱学森一针见血地指出中国教育制度的弊端，恳请总理能够改变现状。时间追溯到1947年， 蒋英(张雨绮饰)接受钱学森的求婚，随其赴美。钱学森被聘任为 加州理工学院的终身教授，他和蒋英享受着至高的尊严和生活待遇。不过，钱学森却时刻牵挂着祖国。中国解放的消息传来。国民党退守台湾，还不断派人来寻，期望钱学森为其效力，钱学森都断然拒绝。此时，美国国内政局突变，钱学森成为了美国政府针对共产党的假想敌，钱学森夫妇丧失了基本的人权。离开美国的时候到了，却几经周折而不得，因为所有人深知钱学森如若回国，将会对美国世界大国的战略造成巨大的不利影响。此外，美国国防部向钱学森伸出橄榄枝，钱学森拒绝了这次能在美国拥有人权的最后机会。外部压力越来越大，钱学森夫妇意识到在美国已是危险至极，他们火速向祖国求助。毛泽东(张铁林饰)和周恩来(刘劲饰)授命用11名美国战犯飞行员交换钱学森。钱学森终于带着妻子和一双儿女踏上了归国之旅。1955年10月，看见祖国海关竖立的五星红旗，钱学森泪流满面。国内科学界对钱学森重回祖国怀抱做出了盛事般的欢迎。为了提高中国的国际话语权，毛泽东和周恩来商议之后，决定勒紧全国的裤腰带，全力支持钱学森进行火箭研究。然而，苏联频设障碍，钱学森凭借异禀天赋，带领来自祖国各地的最尖端人才逆流而进，从仿制入手，终于奠定了中国火箭基础。不久，“东风”系列火箭发射成功，并很快达到了携带核武器实施远程攻击的战略设想。1966年10月，新中国第一枚核导弹于罗布泊靶场试射成功，全中国为此振奋！全世界至此不得不躬身倾听来自东方的声音。多年来，钱学森忘我地工作，忽略了家庭。在最困难的时候，党和国家领导人多次亲自过问，照顾蒋英和孩子们，替钱学森排除了后顾之忧。钱学森亦不负众望，一次次刷新着中国的航空航天历史。2003年10月，神州5号载人飞船腾空而起，中国的航天事业就此步入辉煌！钱学森终于欣慰地笑了，他履行对妻子的承诺。两人相濡以沫，携手共度了最后的时光。