中国人民志愿军第20兵团某连连长潘大海在战场上遇到敌机的狂轰烂炸，损失惨重。他期盼祖国能造出更好的武器来打击敌人。
1958年3月，潘大海随20兵团秘密回国，立刻被派去跟苏联专家学习导弹发射技术，学习结业后乘闷罐子军列一路向西执行秘密任务。他们在戈壁荒原挖地窝子当营房，狂风来袭，地窝子坍塌，在狂风中抢救物资时牺牲了两名战友。他们在饥饿中忍耐，在寒冷中抗争。在苏联专家撤走的7天，他们发射成功了我国枚使用国产推进剂的苏制地地导弹，他们还先后发射成功了“两弹一星”，发射成功了“一箭三星”和洲际导弹，潘大海经历了发射成功的喜悦，也经历了发射失败的痛苦，还经历了战友王来被烧死和小四川在搜索导弹残骸时被冻死的悲痛。但他终于实现了造出好武器的初衷。
潘大海在执行发射任务时被燃料烫伤，在开荒种地时被树根刮伤，他打黄羊时因迷路昏迷被蒙古大哥大姐救活，时在批斗他的大会上他向干部战士讲诉自己参加革命的经历，扭转了会议的大方向。他的二儿子志军因他那张身穿国民党军服的照片与他断绝父子关系，他不知道老母亲去世的日子，他的亲兄弟因儿子没能当上军官怪罪他，夫妻俩因此闹起了分居……
潘大海的妻子和孩子们因为他离开北京随军来到戈壁滩，他却狠心地掐断了大儿子志兵要盖摩天大楼的理想，逼着他当兵，志兵在点号拉给养遇到沙尘暴差点被活活冻死；志军参军后希望在战场上以死替父赎罪，他的战友却为他牺牲了。为了替死去的战友活，志军扔下爱情和烈士的妹妹结婚。潘大海的女儿金戈去北京的男朋友家，方知道男朋友的父母都是高官，他妈妈瞧不起她这朵来自戈壁滩的小野花，她毅然抛开爱情重回戈壁滩。志军病故的很后时刻想的还是工作，令潘大海痛彻心扉。
潘大海和他的战友们在基地建场初期，克服了重重难以克服的困难，取得了一次又一次的发射试验的胜利；他们一家人在戈壁滩的传奇的生活和儿女成长的经历，是无数航天人生活的缩影……
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