Великая Отечественная война в самом разгаре, а союзники СССР по коалиции уже работают над созданием ядерной бомбы. Чтобы предотвратить ядерный шантаж и обеспечить безопасность государства, физику Игорю Курчатову поручено в кратчайшие сроки разработать советскую ядерную бомбу. Совместно с заместителем наркома внутренних дел Всеволодом Замятиным он начинает собирать команду лучших ученых со всей страны. Курчатов убеждает Замятина снять с фронта дерзкого молодого ученого Григория Фролова и вернуть из ссылки лучшего специалиста по урану Варвару Карпову, жену врага народа.

В управление внешней разведки пребывает агент Екатерина Лазарева, бывший физик и возлюбленная Фролова. Под именем Энн Тайлер ее решено внедрить в американский ядерный проект "Манхэттен" в Нью-Йорке. По сведениям советской разведки, англичане передают США свои разработки, и уже через несколько лет американские ученые и инженеры смогут изготовить ядерную бомбу.

У Курчатова тревожные новости: если через полгода не будет результатов, американцы сбросят ядерную бомбу на СССР. Участникам проекта необходимо оставить личные проблемы и чувства, и объединить усилия для достижения цели. Однако не все ученые команды Курчатова пользуются доверием НКВД. Фролов и Карпова находятся в разработке по подозрению в организации диверсии.

Молодые советские ученые-ядерщики отстают от США, американцы уже изготовили три реактора и нарабатывают плутоний. Ведущий физик-теоретик Фролов находится в больнице после взрыва в лаборатории, без его расчетов создание реактора затягивается. Тем временем Замятина вызывает к себе на разговор Лаврентий Берия.

1945 год. Советская армия штурмует Берлин. Тем временем американцам удалось захватить ядерную лабораторию немцев со специальным оборудованием, урановой рудой и ведущими специалистами, а том числе известным физиком Гейзенбергом. США намерены привлечь немецких физиков к Манхэттенскому проекту. Сотрудники Курчатова отправляются в Германию за наработками по атомному проекту.

США сбросили атомные бомбы на японские города Хиросиму и Нагасаки. С этого момента мир разделился на "до" и "после". Победившему нацизм СССР теперь угрожает новая ядерная война. Советским ученым предстоит приложить все силы, чтобы создать собственное атомное оружие в крайне сжатые сроки. В начале 1948 года бомба должна быть испытана на полигоне.

1946 год. Под Челябинском в обстановке полной секретности идет масштабное строительство котлована для ядерного реактора. Скальную породу прорубать тяжело. Но Фролов настаивает на изменении проекта и значительном заглублении. Он пришел к выводу, что американская горизонтальная конструкция котла, переданная разведкой, несовершенна. Необходима оригинальная вертикальная конструкция. Но котлованы такой глубины в стране не строил еще никто.

1948 год. Первый уран-графитовый реактор запущен. Но возникают серьезные неполадки. Реактор не охлаждается, радиационный фон растет. Сотрудникам Курчатова необходимо срочно найти решение. Создать собственную атомную бомбу и ядерный щит для страны возможно лишь благодаря огромным усилиям, подвигам, а иногда и ценой собственной жизни ученых.