Действие происходит в 1942 году, когда советский руководитель Берия поручает своему заместителю Всеволоду Замятину собрать команду ученых для создания первой советской атомной бомбы. Сделать это в условиях войны и за короткое время — практически невозможно. В Москве начинает работу секретная лаборатория, которую возглавляет молодой и талантливый Курчатов. В команду входят лучшие умы со всего Союза, и среди них — дерзкий и самоуверенный Фролов, ранее открывший спонтанное деление ядра, а также говорящая радиохимик Карпова, которая находится в ссылке на Дальнем Востоке. Хотя они вызывают подозрения у советских чекистов, Курчатов убеждает Замятина дать этим ученым шанс. В это же время советская разведка пытается добыть за границей ценную информацию о ядерных проектах союзников. Агент Екатерина Лазарева, бывший физик и любимая Фролова, удается передать в Москву важные данные, полученные от шпионов запада. Теперь советскому руководству нужно было быстро догонять куда более развитую индустрию США и Великобритании, чтобы удержать баланс власти в послевоенном мире. Время играло против них и любой промах грозил всему миру катастрофой.
