第一幕1956年春，新中国第一辆自行制造的汽车出厂，这个消息迅速传到了清华园，同学们兴奋不已。清华大学工化系刚刚成立，工化系的同学正准备迎接刚回国的02实验室主任方凌轩。方凌轩的爱人林颖岚已经提前回国，工化系的同学在林颖岚家帮忙做一些家务，光宇不会做家务，所以闹了不少的笑话，但是素芬却用一首小诗赢得了大家的喝彩。本应该上午到的方凌轩到下午还没有到，林颖岚不禁增加了一丝焦急和忧虑，林颖岚和同学们聊天时，林颖岚讲了一个方凌轩在国外与邻居比赛养花的故事，同学们更加佩服方老师的为人。方凌轩在美国养成了喝咖啡的习惯，林颖岚早早的就为方凌轩冲了杯咖啡。老工友赵大爷不小心误喝了咖啡，由于不习惯咖啡的苦味，赵大爷认为美国人有病，爱喝中药。因为方凌轩从美国回来，所以参加过抗美援朝的赵大爷由此引申，表达了让一个留学美国的人当主任的不满。林颖岚的盼望终于有了结果，系党委书记李一凡和方凌轩一起回来了，原来方凌轩因为受到周总理的接见，所以回来晚了。两个人相见后，百感交集。同学们纷纷过来认识方凌轩，老工友赵大爷却给方凌轩吃了个钉子。方凌轩在整理自己带回来的技术资料和仪器时，客观的分析了中国和美国在技术上的差距，学生建林似乎不太接受，方凌轩强调科学有其自身的发展规律，科学没有国界，而建林则以朱自清先生“饿死不吃美国救济粮”的事情反驳，争论中，激动的建林砸掉了方凌轩带回来的一件重要的设备——层析柱。方凌轩非常激动，说到了他在国外的奋斗和回国的原因，他告诉大家“要想赶上别人，就必须先要承认差距，强大的国家是用手一点一点干出来的！ ”。党委书记李一凡批评了建林冲动的政治热情，并建议把摔碎的层析柱放到工化系02实验室里，作为纪念。

第二幕一转眼2年过去了，在苏联的帮助下，工化系在沉淀法分离铀钚上取得了一些进展。但这是1958年的夏天，全国上下都在大跃进。今天，同学们都去参加水库劳动了，留下光宇看守实验室。光宇是李一凡的儿子，也是工化系02班的政治辅导员。光宇和父亲李一凡在实验室里下起了象棋。光宇向父亲倒苦水，不愿意再干政治辅导员，耽误学习，还必须留下来看实验室，不能去参加劳动。李一凡利用象棋中的连环马巧妙的给光宇做工作，送给光宇一支钢笔，上面刻着“为真理而生”。同学们参加劳动回来，班上小才子丁文中在劳动时还看书，遭到了同学们的批评。同学们正商量着晚上联欢晚会的节目，孙信成老师忽然让大家都回宿舍，只把丁文中一个人留下。原来 丁文中写了一份萃取法处理核燃料的报告，孙老师本来因为丁文中的出身就对其有成见，现在看到他又不知天高地厚的提出新的方法，认为其是个人英雄主义的体现，为了系里的政治工作，孙老师决定将丁文中转到其他系，当他向方凌轩征求意见时，方凌轩坚决不同意这种做法，认为丁文中是一个难得的人才。这时候，部里的领导来实验室视察，领导对实验室非常满意，同时也提出了一些殷切的希望。就在领导要离开实验室的时候，丁文中把报告直接交到了领导的手中。领导看过报告后，对报告提出了肯定的意见，同时也说明研究萃取法困难很大，最后鼓励清华大学能够秉承清华勇争第一的精神，迎着困难上。在处理丁文中的事情上，方凌轩和孙信成各执一词，最后，李一凡决定给丁文中一定的处分，批评其组织观念淡薄，让丁文中继续留在实验室。

第三幕1960年，三年自然灾害时期，同学们又要上课，又要作实验，饥饿似乎包围着每一个人。试验遇到了解麻烦，进展很不顺利，由于海河发水，定购的仪器也不能到位。今天是中秋节，国庆刚过了几天，天气很闷，远远还能听见雷声，可能要下雨。林颖岚想借过节给学生们开一下小灶，同学们实在是太饿了。林颖岚和几个女同学在家中正准备过节的东西。老工友赵大爷给方凌轩送来了封信，赵大爷非常感谢方凌轩，因为儿媳妇难产，生下孩子后身体非常虚弱，多亏林颖岚送去的二十个鸡蛋才捡会一条命。建林打了两条蛇，准备给方老师炖一锅蛇汤，其实林颖岚早就开始准备了，她天天给公社摘苹果，每天允许拿两个，这样也攒了一些水果。大家似乎都在为过节忙碌着。学生永睿一不小心把实验室仅有的一本苏联教材给弄丢了，这时他的母亲也正好来北京看孩子，永睿母亲非常失望，狠狠骂了自己的儿子，伤心的走了。方凌轩回来时带来了一个不好的消息：由于资金困难，国家决定集中力量，压减计划外项目，02实验室的项目可能要下马，中秋的气氛似乎又多了一些秋天的凉意。建林想不通，想坚持干到底，不愿意半途而废。李一凡告诉大家一定要有“全国一盘棋”的思想，要求大家能够服从国家的需要。这时候下起了雨，雨越下越大，有人通知，定购的仪器已经到了火车站，堆在露天，学校车队有没有汽油了，为了不让雨淋坏设备，大家决定用人力把设备拉回来。整个小院的人一下都走光了，只有那碗热腾腾的蛇汤似乎在提醒大家今天是中秋节。

第四幕1965年元旦，距第一颗我国原子弹爆炸已经有两个月了，几个老师都在为实验事故而烦恼。老师于绍学和方凌轩在实验室里相遇，决定在实验室来一个“围炉小酌”。言谈间提到了第一颗原子弹的爆炸，方凌轩看到别人的成功，不由说出了自己的遗憾，两人决定继续寻找实验事故的原因。老工友赵大爷把于绍学的孙子带进了实验室，于绍学要立刻把孩子带出去，没想到一发火，犯了老毛病。学校决定让这次实验事故的直接责任人调离02实验室，于绍学主动写报告承担责任，李一凡不答应，说这次事故他已经进行了处理，这令大家非常迷惑。丁文中要代表学校参加核工业一线工作，临走时和同学们到实验室向老师辞行，李一凡要求丁文中不要保守，一定要做好这次的协作工作。“兄弟单位需要咱的技术，咱就给技术，需要咱的设备咱就给设备。”同学老师都纷纷送给丁文中一些礼物，这其中也包括过去对丁文中有成见的孙信成老师。正当大家准备继续攻关时，光宇却喝醉了酒，闯进了实验室，原来李一凡将光宇定为了实验事故的责任人，明天就要离开清华去包头，老师同学纷纷觉得不应该让光宇承担责任，李一凡却坚持自己的意见。痛苦的光宇借着酒劲发泄了自己的不满，但也无可奈何的接受了安排，离开时将李一凡送给他的那支钢笔还给了李一凡。李一凡觉得自己对不起自己的儿子，但是为了整个02实验室，他也别无选择，离开实验室时，他还没忘安排明天的实验。

第五幕1966年8月，文化大革命刚开始不久。02实验室也到处都贴满了大字报，小标语，但实验室的工作仍在继续。方凌轩把素芬、雅洁、文中、建林、永睿等几个工化系以前的同学都调到了实验室，这保证了在运动中实验仍然可以继续进行。这是实验出结果的最后关头。实验已经进行了90个小时，方凌轩也有三天没有合眼了。同学们都去吃饭了，方凌轩和已经成为光宇妻子的素芬聊天，谈到了光宇，方凌轩也觉得非常对不起他。这时候，一队红卫兵小将闯了进来，揪斗方凌轩，没想到却是找错了人。虽然是一场虚惊，但是有人却悄悄送信，告诉方凌轩真的会有人来批斗方凌轩和李一凡。光宇忽然来了，希望能够看到实验成功。雅洁和文中回到实验室，告诉方凌轩，他们看见有人在批斗于绍学，永睿想出去制止，被李一凡拦住。李一凡告诉大家在实验工作面前，也许大家必须作出一定的牺牲。正当实验准备继续进行时，一队红卫兵闯进来，批斗方凌轩和李一凡甚至包括方凌轩的妻子林颖岚。老工友赵大爷想保护林颖岚，没想到也被红卫兵打伤，双方揪斗起来，混乱中，红卫兵小将在翻文件柜时，打碎了李一凡故意放在里面的毛主席像。红卫兵退了出去，但是仍然不放过方凌轩和李一凡，要在外面等着他们。面对巨大的压力，方凌轩和李一凡沉着的继续实验，砖头砸碎玻璃，扔进了实验室，为了不损害实验设备，同学们纷纷用自己的身体去阻挡。实验成功了，方凌轩和李一凡在实验报告上郑重的签下了自己的名字，然后双双向实验室外走去，同学们轻轻的唱起了校歌，为他们尊敬的老师送行……