В 1942 году Лаврентий Берия поручает своему заместителю Всеволоду Замятину сформировать группу учёных, способную в кратчайшие сроки спроектировать первую советскую атомную бомбу. Выполнить такую задачу в разгар войны кажется почти невозможным, но в Москве под руководством Игоря Курчатова начинает работу секретная Лаборатория №2, куда свозят лучшие умы со всего Союза. Курчатов настоятельно предлагает включить в проект двух заметных специалистов: смелого, уверенного в себе Фролова, который ранее открыл явление спонтанного деления ядра, и радиохимика Карпову, находящуюся в ссылке в Казахстане. Их биографии и репутация вызывают вопросы у сотрудников Наркомата внутренних дел, однако на просьбу Курчатова всё же соглашаются.
Работа разворачивается в условиях постоянного дефицита времени, материальных ресурсов и ощущения, что исход будущего мира решается прямо сейчас. Параллельно с постановкой внутренних научных задач советская разведка ведёт операцию по добыче за рубежом критически важных сведений о чужих исследованиях. Бывшая физик, ставшая агентом, Екатерина Лазарева — ещё и возлюбленная Фролова — удачно передаёт в СССР ключевые данные о ядерной программе союзников. Этот вклад резко меняет расстановку сил: Советскому Союзу предстоит догнать Великобританию и США, чтобы в послевоенном мире создать ядерный баланс.
Напряжение, тайна и огромная ответственность объединяют учёных, разведчиков и руководителей: в их руках оказывается не только научный прогресс, но и судьба послевоенного равновесия сил.