小马(杨洋 饰)外出执行任务，建国趁小马不注意偷溜进了小马的车里，半路被颠簸得晕了车。这时小马才发现建国在自己的车上，只好带着他去执行任务。回来路上，车路过找到建军鞋子的那片胡杨林，建国坚持下车去胡杨林找弟弟，小马不得不陪着他，但走到半路建国陷进了流沙中，小马手疾眼快把建国救了出来，但自己却被流沙吞噬了。基地为小马举行了告别仪式，曾倩倩(孙歌璐 饰)来到小马目前，说出了自己喜欢他的心意。
李一婵(冯秦川 饰)分娩入院，大家都聚在一起等孩子出生，但预产期还没到，李一婵又长期带病工作，这不得不让等在外面的项怀瑾(张磊 饰)忧心如焚。没多久，孩子出生了，母子平安，张司令亲手抱起了孩子，这也是在马兰出生的第二个孩子。
孩子们放假百无聊赖，但听说医院建了个仓库，里面没准有好东西。几个孩子撬了仓库门锁走进仓库，偷拿了许多化学药品，在戈壁滩上做实验，但这些药品接触空气却剧烈地燃烧起来，险些引发爆炸，何玉山(宋运成 饰)因此将建国拎回家里狠揍了一顿。
丽萨(彭雨柔 饰)好几天没来上课，让建国牵肠挂肚，没多久丽萨跑来告诉建国和小伙伴，她和母亲要回北京了。丽萨走后，建国像丢了魂似的，上课什么都听下去。科研所的科研人员陆陆续续地都走了，基地内部盛传上级要裁撤基地的消息，但谁也不知道这是为什么。几个孩子还以为是上次他们偷拿仓库药品的事连累这些叔叔阿姨，一个个找到林儒丫(袁菲 饰)承认错误，但林儒丫告诉他们，叔叔阿姨的离开和他们没有关系。
张副司令找到何玉山和徐远征(任泽巍 饰)，告诉他们三年困难时期已经过去，现在的主要精力是恢复国民经济。所以上级决定基地建设要暂停，人员也都要先内地，让何玉山和徐远征做下面的工作，但二人自己都想不通，怎么做下面的工作呢？总部首长和军委领导来马兰听取基地建设的意见，何玉山站起来发言，他沉痛地说道国家的历史和自己亲身的经历，从前被动挨打，参加革命后因为武器落后看着战士们牺牲，所以一定要造出自己的原子弹，才能扭转这个局面。他的讲话感动了在场的所有人。
不久，台海局势风云突变，美国咄咄逼人，蒋介石集团扬言反攻大陆，局势的严峻上党中央下决心一定要搞出自己的原子弹来，因此决定让周总理挂帅成立专门委员会，基地的建设绝不能停，而且还要提前。这让忐忑多日的何玉山和徐远征都非常高兴。