1937年抗日战争全面爆发，北平和天津相继沦陷，八路军奋勇抵抗，但因军工技术落后，在抗战中遇到了极大困难，大批爱国知识分子纷纷加入到抗日的洪流中。

1938年，清华大学天津办事处的学生熊大缜拎着一箱子书籍去法租界接头，陈广从旅店出来，就发现四周埋伏了很多特务，他远远看到熊大缜用自行车推着行李箱过来，赶忙鸣枪示警，结果不幸中弹受伤，陈广为了掩护熊大缜被埋伏的日军团团包围，最后被乱枪打死。

熊大缜目睹这一幕，伤心地痛不欲生，他拎着行李箱回到分社，教授叶企孙狠狠教训了他一顿，熊大缜品学兼优，对所学的红外线和核物理专业更是精益求精，叶企孙对他寄予厚望，费尽周折才搞到去德国留学的名额，可熊大缜一心就想研究烈性炸药为国效力，叶企孙替他可惜，熊大缜想起惨死的陈广，更加坚定了用自己所学知识研制烈性炸药赶走日本人的决心。

熊大缜想去教八路军战士们制造火药，他向未婚妻宜茗赔礼道歉，答应两个月以后就回来，临走，宜茗和熊大缜照了一张合影照片。

熊大缜和同学汪德熙一起来到八路军冀中根据地，他们俩向战士们传授黑火药的知识，战士们听不懂。由于运输线路被日军封锁，制造火药的原材料根本运不进来，熊大缜带着战士们用肥田粉作原料加工黑火药，可是好景不长，日军又对肥田粉严加控制。熊大缜决定用塔式法从观音土提炼硫磺，他和汪德熙试验了一次又一次，结果都无功而返。

熊大缜不眠不休，不吃不喝，仔细核算所有的数据，结果还是一筹莫展，他心急如焚。熊大缜只好给老师叶企孙写信求助，可最后还是一把火烧掉了，担心这封信给叶企孙带来杀身之祸，熊大缜决定亲自回天津拿资料，战士们不放心，都要求替他去天津，熊大缜婉言谢绝。

熊大缜再次回到天津，一出站就被特务盯上，多亏组织上的人把特务引开，熊大缜才得以顺利回到办事处见叶企孙，叶企孙把制造火药的书籍全部装上，还安排几个化学系的同学和熊大缜一起去根据地。临行前，熊大缜来看宜茗，才知道她跟着家人搬走了。

熊大缜带着遗憾回到根据地，经过他和同学们多次试验，终于制造出了烈性炸药，汪德熙劝熊大缜去找找宜茗，熊大缜想等战争胜利了再说，他马上投入定时起爆器和雷管的研制中。熊大缜和清华大学的同窗一起研制烈性炸药和雷管，沉重打击了侵华日军，被人称为“地雷战之父”。