Москва. 6 августа 1945 года. В Лаборатории №2 АН СССР, которой заведует Игорь Васильевич Курчатов, отмечают свадьбу двух молодых физиков: Анны Галеевой и Кирилла Муромцева. Вечером Курчатова без объяснения причин тайно забирает НКВД. Его привозят на совещание к Берии, на котором собраны ведущие физики страны, в том числе Юлий Борисович Харитон. Только что пришло известие о том, что американцы сбросили на Хиросиму атомную бомбу. Берия требует через год создать такую же бомбу для СССР. Но сроки непосильные. Учёные уверяют его, что разработка такой бомбы – это крайне сложный процесс, требующий не только времени и усилий тысяч людей, но и создания целой новой отрасли – атомной.

У выпущенного по амнистии талантливого физика Михаила Рубина завязываются отношения с кастеляншей Соней, но переводить их на серьезный уровень он не намерен. Он приходит к Курчатову и внезапно просит отправить его обратно в лагерь. Но Берия уже распорядился на счет его кандидатуры. Михаила приказано командировать в Копенгаген. Разведка принесла сведения, что датский физик Нильс Бор согласен помочь СССР в разработке атомной бомбы ради достижения паритета с США. Муромцева и Рубина отправляют к Бору, с которым Рубин работал еще в 1938 году.

Курчатовцы пытаются вычислить критическую массу урана. Ученых торопят под угрозой расстрела. При неверных расчетах запуск цепной реакции может привести к взрыву с большим выбросом радиации. Кирилл и Аня настаивают на осторожности. Рубин же предлагает пойти на опасный эксперимент, чтобы уложиться в сроки. Но можно ли довериться бывшему заключенному?

У Кирилла впервые в жизни случилось озарение. Ему пришла в голову идея отказаться от проверенного американского горизонтального котла в пользу оригинальной вертикальной конструкции. Муромцеву предстоит убедить в состоятельности своей идеи коллег-оппонентов из университета. Учёный совет приказано продолжать до тех пор, пока решение не будет принято. Напряжение близится к критической точке и не только в непримиримых научных спорах, но в отношениях лучших друзей Муромцева и Рубина. Кирилл понимает, что чувства Михаила к его жене Анне так и не прошли, и она, похоже, отвечает ему взаимностью.

Рубин и коллеги на полигоне в Сарове никак не могут добиться идеальной конструкции заряда. Рубин в отчаянии ищет ошибки в расчетах. Харитон предлагает провести детальнейшую фотосъемку, чтобы увидеть взрыв изнутри, и вызывает для этого специалиста по детонации Лифшица. Он предлагает использовать необычный прибор под названием «лупа времени». Аня и Кирилл командированы на Урал и живут в отдельном доме. Они готовятся к запуску цепной реакции и встрече Берии, который лично будет присутствовать на эксперименте. Но всё идет не по плану…

При последнем испытательном взрыве Ян выбежал на полигон, обгорел и попал в больницу. Рубин пытается найти способ заставить его бороться за жизнь. Анна возмущена поведением коллег, которые пренебрегают мерами защиты от радиации. Она собирается ехать в командировку в Москву, что выяснить максимально допустимые для человека дозы. Туда же отправляется Рубин. Он вместе с Харитоном напросился на встречу к Берии, чтобы доложить об успехах и заодно попросить за возлюбленную.

Влюбленные Рубин и Ольга на свидании забывают о времени и еле-еле успевают вернуться к построению заключенных. Аня обеспокоена нормами безопасности в связи с радиацией в зоне реактора. Кирилл при коллегах выражает несогласие с её мнением. Их брак, похоже, окончательно рушится. Кирилл выбрасывает свое обручальное кольцо. Рубин раздавлен, он узнаёт, что начальник лагеря отправил Ольгу по этапу на север. Берии во время концерта матери Анны докладывают об аварии в реакторе на Урале.

Курчатовцы проводят последнюю проверку критической массы урана перед запуском. Рубин не может ждать. Он стремится получить условия, максимально приближенные к реальному взрыву, чтобы поскорее закончить работу и просить об освобождении Изотовой. Но начальство настаивает на осторожности. После официальной проверки Рубин отправляет Яна в пультовую, а сам решается на опасный эксперимент…