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 разгар войны, когда ресурсы страны напряжены до предела, эта миссия кажется почти невыполнимой. Под руководством Игоря Курчатова в Москве начинает работу сверхсекретная Лаборатория №2, куда привлекают лучших специалистов со всего Советского Союза. Курчатов настаивает на включении в команду двух неоднозначных фигур: самоуверенного физика Фролова, открывшего спонтанное деление ядра, и талантливого радиохимика Карпову, отбывавшую ссылку в Казахстане. Несмотря на сомнения НКВД, их кандидатуры были утверждены.
Параллельно советская разведка активизирует усилия по добыче зарубежных научных разработок. Особую роль в этой операции играет агент Екатерина Лазарева — бывший физик и бывшая возлюбленная Фролова. Благодаря ее работе в СССР поступают ценнейшие сведения об атомных проектах союзников. С этого момента начинается напряженная гонка, где Советскому Союзу предстоит наверстать отставание от Великобритании и США, чтобы обеспечить ядерный паритет в послевоенном мире.
