1952年的上海，港務局青年活動會上，黃旭華(黃曉明 飾)和李世英(陳好 飾)相識。那是李世英第一次給黃旭華理發(fā)，沒想到一理就是一輩子。李世英要去大連讀大學進修，離開的那天，李世英跑到港口和他告別，黃旭華的船已經(jīng)走遠，她就把東西留給劉主任拜托她一定要交給黃旭華，里面是一把推子。

1954年，上海船舶工業(yè)管理局。剛從列寧格勒造船學院畢業(yè)的嚴保國(章賀 飾)作為蘇聯(lián)專家瓦西里的翻譯回國為祖國效力。關于仿制魚雷艇，黃旭華向瓦西里提出了自己心中的疑問，卻被告知只需要學會仿制就好，因為中國目前的工業(yè)不足以建造潛艇，就算被侵略，蘇聯(lián)也會保護好我們的。結(jié)束后黃旭華依然追著向瓦西里提問，結(jié)果被嚴保國阻止了，說他剛才的舉動太過分了，也希望他能清醒一點，老大哥現(xiàn)在只想教我們仿制，除此之外什么都別想?？牲S旭華不是這么想的，他想學到更多。午飯時，黃旭華帶著家鄉(xiāng)的酥肉，用生疏的俄語向瓦西里提問，人家聽不懂他就用肢體語言，被嚴保國生拉硬拽趕了出去。

某個雨天，黃旭華正在學習俄語，遇見了同在公交車站躲雨的李世英，她來這里當翻譯。第一次給蘇聯(lián)專家做翻譯，嚴保國提醒李世英不要給黃旭華做翻譯，他嘴里蹦不出幾個單詞，卻還非追著蘇聯(lián)專家聊天。李世英當然沒有聽他的，黃旭華一貫第一個舉手提問，李世英也認認真真地幫他翻譯。下課后，李世英再一次幫黃旭華剪了頭發(fā)，黃旭華則拿著鏡子偷看她。這一幕引來了不少人的圍觀，瓦西里都為他們的愛情鼓掌。

不久后，黃旭華和李世英結(jié)婚了。同事朋友們送來祝福，黃旭華和嚴保國在婚禮上高談闊論，被生拉開后才一起跳舞。1958年，黃旭華和李世英已經(jīng)生下了一個女兒，黃旭華對她十分寵愛，每天怎么抱都抱不夠。上班后，黃旭華被呂所長(張凱麗 飾)叫去，給了他一封介紹信和火車票，讓他馬上出發(fā)去北京。火車是十點的，黃旭華甚至來不及回家收拾衣服，只能寫下臨時出差的紙條折成船的樣子，讓嚴保國把這個交給李世英。

嚴保國和春玲(黃小蕾 飾)搞不懂黃旭華到底去了哪兒，李世英卻很放心，他說了勿念，也說過很快就會回來的。到北京后，黃旭華拿著介紹信來到北京海軍參加會議，認識了來自福建的趙達生(陳震 飾)和海軍劉宏元，他們對將要開的會一無所知。會議開始后于所長(王洛勇 飾)讓他們把本子收起來，不要做記錄，他們要從事的工作保密性極強，從現(xiàn)在起要斷絕與外界的聯(lián)系，無論是妻子、父母還是朋友都不能暴露工作單位，一輩子都要做無名英雄。聞言氣氛沉重，卻沒有人退出。于所長便宣布了大家來這里的目的，從即刻起，開始研發(fā)我們自己的核潛艇。他們面對國旗宣誓，像核潛艇一樣潛入深海，不知何年再與親人朋友相見了。忠于祖國忠于黨，嚴守秘密遵守紀律，不達目標，絕不放棄！

呂所長去通知李世英，說黃旭華有任務暫時不能回來，要在北京待一段時間，無論家里有什么事情組織上都會幫助她，李世英對此一頭霧水，也十分擔心。大家擠在軍樂團的樓里做研究，天氣炎熱，所長挨個兒給大家發(fā)了冰棍。黃旭華和趙達生、出去買書，回來的時候卻因為沒有證件回不去了，還被所長給訓了一頓。他們抱怨自己是雜牌軍，所長卻說他們就是雜牌軍，隱身的滋味才剛剛開始，未來許多年都將如此。