英国伦敦，中国籍地球物理学家黄大年正在宣布他的研究团队的最新研究成果——对地球的探测深度较原有的四千米又得到了大大的提高。此时中国某勘探处几名专家正对黄大年公布的数据进行探讨，作为这个项目团队的首席科学家黄大年出国前正是在座某教授的学生，也是刘跃教授的同学，有人提议不如把黄大年请回国，让他为中国的科学发展出点力。助手艾文将合作伙伴MK油气公司转来的最新数据报表交给黄大年，他说深水油气高精度的探测再次有了新的突破，开采又有了新的深度，他判断MK公司对黄大年的邀约将更积极。刘跃向在座专家介绍了黄大年的简历，他1992年到英国留学，连续十二年担任英国剑桥EN公司的高级研究员、研发部主任，专攻高效探测技术在陆海大面积油气和矿产资源勘探方面的应用。是国际海洋和航空快速移动平台高精度地球重力和磁力场探测技术的顶级专家。大家决定把黄大年请回中国。MK公司总裁亨利亲自邀请黄大年加入公司，薪酬随便他开，黄大年婉转表示希望保持以往的合作关系，并推说家里还有晚宴等着自己打断了亨利的游说。黄大年的发小叶明教授借着到英国出差的机会造访，顺便了解黄大年的想法。大年的夫人称别看大年成绩一个接一个，但人在国外心一刻都没安稳过，如今叶明一来估计又得把大年的魂给勾走了。亨利捧着红酒不请自己来，黄大年虽然热情款待，却坚称在家里只讲故事不谈工作，始终不答应亨利的邀约。2009年海漂多年的黄大年满腔爱国热血积聚于心，耳闻祖国正以博大的胸怀海纳百川，他的内心更加波涛汹涌无法平静。夫人理解大年，但她请大年慎重考虑，他一旦回国，这个家怎么办。她的诊所开到现在不容易，女儿的学业也没有完成。刘跃正式向黄大年发出吉林大学邀请他回国工作的邀请函，这是黄大年渴盼已久的橄榄枝，是祖国对他赤子之心的热切召唤，他激动不已。在一线当技术员的程果，从广西一个县城千辛万苦考上吉林大学的李斯华都是黄大年的崇拜者，听说黄教授有可能回国任教，都立誓要考上他的研究生。黄夫人在经过纠结的过程之后决定支持丈夫回国，她打算把诊所转让出去陪丈夫一起回去。女儿彤彤也表示自己可以一个人留在英国学习。EN公司得知黄大年去意已决，派出艾文向黄大年提出离开之前必须签署保密协议，且不能带走公司的文件和电脑。

就要离开英国了，雪梅看着自己的一堆医疗器械悄悄地抹起了眼泪，黄大年满怀愧疚，知道是自己令妻子为难了，雪梅对身外之物倒是豁达，她知道丈夫拼命三郎的个性，对大年提出要求，回国后切记身体第一。经过长途跋涉黄大年终于回到了祖国的怀抱，消息传来，吉林大学上下为之欣喜。家人亲友都在等着给大年接风洗尘，而大年却一刻也等不了了，放下行李直奔吉林大学，见了刘跃就冲他要地方打算开展工作。黄大年签约入职仪式举行，黄大年的恩师王毕可和科技部张部长参加了仪式，张部长还带来了地球深部探测项目等着黄大年当这领头羊。李斯华听说学院正在举行黄大年的入职仪式拉着刘一米想来一睹偶像的风采。黄大年在入职仪式上慷慨表态，地球勘探现在是科技中的重中之重，我国就是要跟国际接轨，赶超欧美，只要国家信任，这个领头羊他当定了。深部地球探测项目就像在飞机、舰船、卫星等移动平台上安装千里眼，看穿地下每一个角落，这项尖端技术世界瞩目，黄大年的回国无疑是给中国巡天探地潜海的科研速度打了一剂强心针。黄大年的归国让国际竞争对手胆寒，亨利对自己没能留住黄大年深表遗憾，他打算联合其他公司启动K计划以期能够跑赢黄大年。黄大年深感重任在肩，人职当天便连夜在办公室制定工作计划彻夜未归。刘跃上班听门卫管大爷说黄大科学家熬了一个通宵，还因为走道里的杂物摔了一跤，那个着急啊，不顾黄大年跟自己说他列的几个计划，非要拉着他上医院检查，黄大年戏称自己的体格如特种兵一般，他就想快点投入战斗，不能给对手留机会。研究团队需要人才，刘跃整理了博士生资料给黄大年让他面试，结果黄大年将面试安排在吉大林学的体育场。考生程果和卫宏远都百思不得其解，连刘跃都奇怪黄大年这是考查学生呢还是新兵训练呢？黄大年称自己是是为了考验学生的意志和体力，说“搞科研就像上战场打仗一样”，要求学生要像战士一样有过硬的素质。

雪梅得知大年在学院里搞了一个茶思屋，她提醒丈夫不要过于高调，要知道这可是在国内，不要总想着标新立异。黄大年笑称自己就是想让学生们体验一下新派地球物理人的感觉，要有自己的造梦空间。李斯华和刘一米带着自己几易其稿的图表来交作业，黄大年却以为这只是她们手绘的草图，此时石小磊也来了，带来了他在网吧花了好几小时绘制的地球图表，黄大年表示满意，李斯华当着程果和卫宏远两位博士生出丑觉得特丢脸。黄大年提出的装备研发理论逐步受到国内专家的认可，为国内科研攻关打开了一扇更加宽广的大门。作为国家深探装备研发项目的首席科学家，他此后相继承揽了九大项目、设置四十九个课题、集中一百一十八家机构、一千六百多名科学家不遗余力地为祖国科研进步做出了无私奉献。黄大年对批评李斯华一事做了自我检讨，他意识到自己没有了解情况，决定自掏腰包给李四光班的学生发电脑。假期游学的艾文特意来到吉林大学看望黄大年，黄大年让李斯华带着艾文去参观茶思屋，让他体会一下国内课堂内外的氛围，而自己又一溜烟地跑去忙了。装备研发论证通过，成立研发中心提上了议事日程，黄大年又开始调动各领域专家，积极进行无人机探测装备的配合研发。程果和卫宏远因为仓促间没有准备好资料惹得黄大年大发雷霆，怒斥他们这是人浮于事，拿着国家的钱却懈怠办事，一番话训得两博士生羞愧不已。黄大年马不停蹄的节奏令远道而来的艾文为之瞠目，不敢相信这是在英国十分注重生活品质的黄大年所为。黄大年在家宴请艾文，同时邀请了刘跃、杨博士等人，本来气氛轻松，黄大年却见缝插针积极为项目科研及装备研发战略布局，艾文感叹黄大年带领的团队之强大，他戏称吃饭不忘讨论工作的团队是可敬而又可怕的。黄大年去北京开会，王毕可专程接见，想让黄大年接下国家S09项目的首席工作，黄大年不顾事务繁冗责任重大，欣然同意。国家对探测装备需求迫切，且国外K计划发展迅猛，尤其是无人机一项，因此黄大年一从北京回来就提出要将无人机试飞提前。刘跃告诉黄大年李斯华把电脑给丢了，幸好李斯华和刘一米只是负责科研项目的外围工作，接触不到要害资料，但奇怪的是李斯华最近总是找人借钱，难道会是借不到钱把电脑给卖了？黄大年担心李斯华受坏风气的影响，心态摆不好影响了她的学业，把她叫到办公室严厉批评了她，李斯华一气之下写了休学报告。黄大年从卫宏远处了解到李斯华是因为妈妈手术需要钱而抵押了电脑，他二话不说慷慨解囊将三万元钱交到李斯华手中。

黄大年迫不及待地向程果和卫宏远了解他们进行市场调查的结果，程果和卫宏远都怕自己跟不上老师的思维速度，刘跃也担心黄大年这突然加速，突然滚动淘汰，会使这个刚刚凝聚起来的团队崩溃，提醒他千万别把人心弄散了。黄大年拿出一张碟片塞入VCD机中，茶思屋中缭绕起中国地质学奠基人李四光所作的小提琴曲《行路难》，曲中诉说了中国科研工作者难以开展工作的困扰，黄大年又给大家讲起了李四光当年冲破重重困难回到国内献身科研工作的故事，大家都被黄大年的爱国情怀所感动，决定携手勇敢前行。为加快科研步伐，黄大年舍弃休息时间忘我投入，雪梅担忧他的身体，她开玩笑说都不知道自己当初回国的理由是什么，说是回来照顾他的身体，现在却是连要见他一面都那么难。3000米的勘探深度还是不能解决能源紧缺的难关，勘探一线对深探装备样机的渴盼越来越急迫，感动于勘探处赵工等人位卑未敢忘忧国的精神，为了国家利益，黄大年立下军令状，誓在年底前交付样机。然而样机研究缺的正是最关键的数据演算一关，技术难关当道，卫宏远对老师立下军令状心存不满，黄大年为攻克难关决定闭关住在办公室，忘掉昼夜加快速度，再一次向时间发起了挑战。黄大年先斩后奏行李卷一背就以办公室为家，一住就是一个多月，连门卫大爷看着不眠不休的黄大年都直喊心疼。卫宏远和李斯华商量想在博士毕业后出国工作一段时间，李斯华不同意，认为他不负责任，不考虑自己和老师的感受。一个多月的闭关攻坚让黄夫人和学生们都对黄大年十分担心，雪梅支了招才骗得黄大年下楼运动运动。

黄大年宽慰要去国外工作的卫宏远，让他不用耷拉着脑袋，能到更高的平台去开眼界那是好事，但将来为谁而奉献一定要想清楚，出去了一定要记得回来。黄大年为了参加本科班的毕业典礼而未能去参加女儿的大学毕业典礼，但他及时给彤彤发了短信祝福她的成长，并告诉她作为父亲他的心永远和她在一起。刘跃叮嘱黄大年务必参加中央组织的疗养，黄大年却接到国外电话听说k计划有了重大突破，内心不禁对科研工作焦急起来。黄大年本打算放弃疗养，刘跃知道他的忧心所在，于是透露有个国际装备年会也在疗养地召开，这才勾起他的兴趣。打着疗养的名义，黄大年邀约海归、专家就地开起了闭门会议，学术共享的积极态度让在场专家无不钦佩。黄大年趁机说服海外专家归国圆梦，拉住海洋领域专家闫伟对他说虽然回国研究工作会遇到这样那样的困难，但在自己国家的土地上搞研究心里踏实，试图打消闫伟回国的顾虑。疗养期间获益颇丰的黄大年清晰了科研提速的新思路，又是马不停蹄地搭深夜的飞机回到学校，他告诉学生们这次和国家领导人见面后能够强烈感觉到中因对实现中国梦的迫切和对解决能源短缺这种急切心情，他决定对S09项目提前结题，程果担心一味追求进度会让人感觉冒进。黄大年提出实行红蓝军路线的办法，红军路线就是立主自身实现突破，蓝军路线就是在国外既有高端平台上的二次开发，推动整体进度，实现快速突破。为了更广泛地进行学科交叉服务科研，他借联谊会之机向校内专家提出红蓝军对标方案，在吉林大学校内逐渐成立“科研特区”。S09项目的科研经费批下来了，黄大年的办公室也被踩平了门槛，桌上的电话就没停过，连多年不见的老朋友宋坦也专程上门要求合作，黄大年铁面无私一律回绝，虽然将好友拒之门外令他心中隐隐作痛，然而在国家利益面前这些都变得微乎其微，他就是要把事办好，也要办得干干净净。元宵佳节黄大年又远赴北京向领导汇报工作，国事家事难两全，他只得在登机前向妻子发条短信表示歉疚。北京之行黄大年顺利拿到申请的科研经费，还破例被追加了一个亿，好消息传来刘跃和学生们都兴奋不已。而回到吉林大学的黄大年提出要搞全国学科大交叉，要在全国范围内寻找专业学术突出的团队共同合作，为了科研工作他不怕被人说肥水流了外人田。

大年事业上取得了突破性的成就，但雪梅担心这仿佛就是一针兴奋剂，只怕以后黄大年更停不下来了。黄大年捧着大蛋糕进了家门，他一开口就是向妻子请罪，今天是雪梅的生日但他居然给忘了，是学生们替他准备了蛋糕和鲜花，他请求妻子的谅解，他表示成功的第一功臣非雪梅莫属。庆功宴上，妻子、亲人、伙伴以及学生的欢声笑语化作一缕温情注入黄大年心底，让他感受到生命的可贵与幸福。女儿彤彤也打来电话对爸爸的学术成就表示祝贺，又给妈妈送上最特殊的生日礼物——自己怀孕了，黄大年和夫人喜极而泣，给未出世的外孙起名“春伦”，希望他们家的宝贝能记住他们从长春到伦敦之间的两国之间、两个城市之间发生的美好的故事。革命取得阶段性成功，但成功并没有让黄大年停下追赶时间的脚步，刘跃拿来了科技领军人才专题研修班的通知又让黄大年斗志昂扬，让刘跃赶紧着手帮他落实，但刘跃实在是担心黄大年的身体情况。吉林大学校庆，张部长、王毕可和校长一起参观黄大年的办公室，看到墙上贴的排得密密麻麻的工作日程，领导们都称黄大年是“拼命三郎”。殊不知黄大年此时正顶着身体的疲惫和不适，强撑着向一个又一个科研项目高速前进。无私忘我的拼搏是以健康为代价的，黄大年在一次北京回长春的航班上身体出现严重不适，陷入昏迷前竟还不忘嘱咐空姐，一旦自己出事，一定要将怀中电脑交给国家。在医院苏醒过来的黄大年翻身下床就要回学校工作，刘跃态度强硬将黄大年留在医院做全面检查，黄大年却记挂早就安排好的报告会，趁刘跃找大夫办手续之机偷偷离开。