В 1942 году Берия поручает Всеволоду Замятину сформировать команду ученых для разработки первой советской атомной бомбы. В условиях войны и ограниченного времени задача кажется практически невыполнимой. Под руководством Курчатова в Москве создается секретная Лаборатория №2, куда входят ведущие специалисты страны. Курчатов настаивает на включении в проект двух ученых: Фролова, который открыл спонтанное деление ядра, и радиохимика Карповой, находящейся в ссылке. Несмотря на сомнения в Наркомате Внутренних дел, просьба Курчатова удовлетворяется. В то же время советская разведка активно ищет информацию о ядерных разработках за границей. Агент Екатерина Лазарева, бывший физик и возлюбленная Фролова, успешно передает в СССР ключевые данные о атомном проекте союзников. Это становится отправной точкой для Советского Союза в стремлении достичь ядерного равновесия с Великобританией и США в послевоенный период.
