1942 год. Лаврентий Берия ставит перед своим заместителем Всеволодом Замятиным сложнейшую задачу — в кратчайшие сроки собрать группу ученых для создания первой советской атомной бомбы. В условиях военного времени эта миссия кажется почти невыполнимой. Под началом Игоря Курчатова в Москве формируется сверхсекретная Лаборатория №2, куда съезжаются лучшие научные кадры со всей страны. Курчатов настаивает на включении в команду двух неоднозначных специалистов: самоуверенного физика Фролова, открывшего спонтанное деление ядра, и находящейся в ссылке радиохимика Карпову. Несмотря на сомнения НКВД, их кандидатуры получают одобрение.
Параллельно советская разведка активизирует усилия по добыче зарубежных научных разработок. Бывшему физику Екатерине Лазаревой, когда-то связанной с Фроловым романтическими отношениями, удается передать в СССР ценнейшие сведения об атомных проектах союзников. С этого момента Советский Союз вступает в напряженную гонку за ядерный паритет с Великобританией и США, понимая, что от исхода этой борьбы будет зависеть расстановка сил в послевоенном мире.
