1956年，也就是钱学森归国后的第二年，他受周总理委托起草了《建立我国国防航空工业意见书》，这份文件成为中国导弹研制工程的指导方案，很快投入实施。

同时，电影中连凯饰演的科学家友来，原型是钱学森的同门师兄弟，科学家郭永怀。郭钱二人当年一起考取“庚款留学”赴美，郭永怀是流体力学专家，继钱学森之后也于1956年回国。

1960年郭永怀经钱学森力荐，主导中国原子弹力学方面的研究，也是为“两弹一星”做出卓越贡献的元勋。在郭永怀回国的同一年，钱学森担任当时国防部第五研究院院长，负责中国的导弹/火箭研究工作。研究院位于当时北京西郊，周围荒草密布。但就是这所简陋的研究院，汇聚了当时中国乃至世界最顶尖的导弹研究人才。众所周知，“两弹一星”研制算不算成功，最终都需要真刀真枪地走上发射场，经过一次次发射检验才算合格。为了保密需要，以及最小限度减弱导弹发射对周边群众的伤害，1958年毛主席最终批准在内蒙古额济纳旗建立酒泉导弹试验基地，也就是后来我们熟悉的酒泉卫星发射中心。这座导弹试验基地虽然以酒泉命名，但它最初并不在甘肃酒泉，而是在内蒙古额济纳旗。荒无人烟的大西北虽然适合导弹发射，但生活条件却极为艰苦。另外作业方式全靠人背肩扛，几乎没有重型机械设备。苏联顾问看到我们用如此原始的作业方式建设导弹发射基地，预判建设起码要15年，但中国军人靠双手只用3年时间就在这黄沙漫天的戈壁建立起一座导弹基地。

1962年3月21日，东风2号导弹在酒泉基地进行首次飞行试验，但这次试射失败，发射后没多久导弹失控坠落。经过长达2年多的论证改进，东风2号导弹于1964年再次试射并取得成功，命名为东风-2A。在钱学森负责的导弹部分成功后，原子弹也传来好消息。

1964年10月16日，中国自行制造的第一颗原子弹在罗布泊爆炸。最终，包括核弹爆炸装置在内的数万个零部件，从祖国各地运往酒泉导弹发射基地。

1966年10月27日东风-2A导弹携带原子弹弹头，从酒泉发射击中800多公里外的罗布泊弹着点，标志着两弹结合成功，中国从此拥有了核打击力量。在电影《钱学森》结尾，晚年的钱学森夫妇携手走在一起。钱学森说出自己对妻子蒋英的歉意：“如果你不是嫁给我，你会成为中国最好的女高音歌唱家”。但蒋英却并没有感到遗憾而是光荣，因为中国可以没有像蒋英那样的歌唱家，却不能缺少像钱学森那样的科学家。