在上個世紀60年代，在緊張的國際形勢下，中國第一顆原子彈終於研製成功，隨着壯麗的蘑菇雲騰起，舉國人民無不歡騰鼓舞，無數熱血青年紛紛立志投身在毛主席的號令中，穿越崇山峻嶺來到大西南，爲國家的原子彈事業做貢獻。故事就發生在中國大西南研製導彈基地。

在站臺，隨着火車的緩緩駐停，一名熱情如火，青春洋溢的小姑娘陸若文（蘇青 飾）高興地從列車上下來，向等候在那的導師高佔武（任程偉 飾）彙報情況，陸若文匯報完情況，故意向高佔武說自己已經得到調令，可以去基地上班了，她的小伎倆被高佔武識破，高佔武讓她拿出調令，陸若文看到謊言敗露，於是百般給他說好話，但高佔武堅決不肯把她留在這裏，還讓她去候車廳休息，然後隨着火車返回。

一同下火車的向晴（練束梅 飾）看到陸若文遭到高佔武的回絕，想替陸若文求情，忽然看到大學同學張利軍（楊爍 飾）來接她了，和老同學重逢，向晴興奮地抱着張利軍，還給他戴上了一頂新帽子。張利軍，軍人子弟，是個一身熱血的大學生和火箭工程師，性格桀驁不羈，率性而爲。他將自己的好朋友馬朝陽介紹給向晴認識，聽到她說陸若文也來了，兩個人飛快地跑到調度室。

調度室裏，陸若文向她的大學同學張利軍和馬朝陽哭訴，如果誰能讓她留在基地，自己就嫁給她，張利軍和馬朝陽想向高佔武求情，沒等他們開口，高佔武直接告訴他們，誰想跟着她，可以隨時回去。  兩個人也沒有辦法。

調度室裏的調度員姜又發看到陸若文哭紅的眼睛，告訴她，自己有辦法讓她混進基地，陸若文便聽了姜又發的辦法，偷偷鑽進運往基地的卡車車廂，矇混過層層警戒。基地王副主任發現火車剛到站，基地就出現了敵方電臺信號，爲了不打草驚蛇，沒有大肆聲張。第二天，張利軍把基地的同事劉連柱和他的愛徒梁玉強都給向晴介紹了一下，向晴覺得車間的劉連柱師傅冷冷冰冰，張利軍卻告訴她，這個師傅在製造火箭方面是全能，大領導來了都要給他倒水。無意中聽到張利軍喜歡陸若文，向晴沒好氣地拿回了自己的帽子。

倉庫的同志發現了凍暈裏面的陸若文，趕緊彙報給了上級，擔心情報泄露，上級立刻決定對陸若文實行隔離審查。在調查室，陸若文一口咬定沒有人幫她，全部是她自己一個人混進去了，接着還說出了基地各個部門的工作內容和作用，連各個部門的編制都摸的一清二楚，爲了防止她說出更多的機密，徐處長立刻讓人把她關進了監獄。

基地的王副主任驚訝一個小小的陸若文竟然知道這麼多祕密，於是向高佔武興師問罪，高佔武告訴他，自己並沒有泄密，恰恰相反，這個陸若文在製作導彈方面的知識很淵博，但由於她資本主義小姐的身份所以遲遲沒有被調進基地，自己也正在做工作讓她以合法的方式調回這裏工作。王副主任瞭解到當天接觸到陸若文的只有馬朝陽和張利軍，因爲馬朝陽當晚就探親回家了，所以鄭重調查了張利軍，張利軍完全否定了私自幫助陸若文的事情，還說關係到國家安全的事情，自己是絕對不會含糊的。

接着王副主任向基地的司令員彙報陸若文的處理意見，他和政委都決定要把陸若文移交軍事法庭處理，司令員沒有異議，還建議他利用這件事好好教育基地的年輕人做好保密工作。張利軍聽到這個消息生氣地責備高佔武見死不救，高佔武思來想去，只好帶着向晴到基地的司令部。見到自己的司令員父親，向晴向他陳述了陸若文的事情，沒想到一直鐵面無私的父親還是堅持自己的處理意見——將陸若文移交軍事法庭處理。張利軍想摸黑混進監獄，沒想到被警衛員抓個正着，基地四處守衛森嚴，張利軍只好作罷。