查尔斯带着妻子艾比和儿子乔伊来到荒漠中的小镇，加入瑞德阿克力主持的原子弹研制方案——“瘦子”。弗兰克温特七人小组的备选方案能比“瘦子”方案节省12周的时间，却得不到主管奥本海默博士和军方的支持，小组面临解散。

基地内的研究员家属们丝毫不知工作内容，仅知道在研制一个“小玩意”。库克斯上校在实验基地大肆肃查间谍，亚裔研究员廖被军方秘密逮捕。

华裔研究员廖西被秘密逮捕后，遭到囚禁和逼供，同时弗兰克因告发廖西，得到军方支持，小组免于被解散。基地得到微量钚的样品，弗兰克小组未分到钚，弗兰克欲以实验证明自己方案可行，但爆炸实验却意外失败。弗兰克安排廖西去从军，但廖西袭击看守欲逃跑，被宪兵枪杀。

士兵唐雷威射杀廖西后，心中难以平静，但库克斯上校竟将其升职调离门卫职务。查尔斯在组内极不合群，被同事嘲笑的他瞬间解决难住同事数周的难题。弗兰克仍不放弃自己的方案，但小组内众人已情绪低落到极致。艾比被劝去基地内找工作，成为基地极其严密监视网络的一员。

弗兰克独自试爆成功，验证了自己的设想。

活的传奇——物理学家玻尔逃出纳粹控制来到美国后，将来核弹研制基地。奥本海默派查理陪同接待玻尔，基地盛传玻尔将接替奥本海默主持核弹计划。弗兰克工作入魔精神状态不稳定，属下保罗决定转投阿克力“瘦子”小组。但在一次私下的野外爆炸试验中，弗兰克和保罗以及一个宪兵由于汽车损坏被困在离基地三十英里外的沙漠里。

阿克力小组的“瘦子”方案由于炸弹体积太大，现有的轰炸机B-29难以运载，被军方毙掉。弗兰克小组的格伦·巴比特(丹尼尔·斯特恩 饰)博士半嘲讽半提示给查理讲荤笑话，查理却当众曝出巴比特与暗投苏联的理查德·拉弗儿教授是好友，引来反间谍部门的调查。

温特夫人研究蜜蜂，写的论文却难以邮寄出基地，最后甚至连饲养的蜜蜂也被毒杀。

基地派遣查理和海伦去钚生产厂检查指导，提出的意见却被傲慢厂方无视。由于核反应出人意料产生了新的同位素，导致反应堆由于温度过高故障。家中女仆未来上班，温特夫人坚持要去探望，弗兰克阻止未果只得陪同。艾比得知查理与海伦一起出差，担心查理出轨，被女同事煽动摘掉婚戒去参加舞会，在舞会上被灌醉险遭侵犯。

查理发现钚的数值异常，他想要找人帮助计算但是一切通话都会被监听，查理恳求艾比做内应逃避监听并借机放艾比大假。计算结果传回令查理大吃一惊，整个制造计划都存在着危险，但查理不敢肯定艾萨克是否早已知晓。保罗请来的荷加斯博士虽然对爆聚研究颇深但行为作风很差，贪图美色加上口无遮拦一时令保罗难堪。

查理没忍住将消息告诉了弗兰克，弗兰克却好像早就知道。

查理答应艾萨克的升职条件，他被委任掌管办公室的日常事务，查理要求对全员实施大检查。弗兰克对查理的意见颇为震惊，但他现在急需要寻找炸药来完成计划。米克斯在同事的怂恿下一同食用了含有神经性毒素的蘑菇，大脑异常兴奋竟使得他寻找到瘦小子的计算漏洞。

艾比和女同事喝酒险被侮辱，然而她将此事告知查理却被无视。

安妮出现在秘密研究基地，她将揭开丈夫隐瞒的真相，弗兰克不得不面对昔日的梦魇。艾比面临非常困难的选择，一方面她希望忠于自己的婚姻，另一方面她无法抗拒与艾洛蒂(CaroleWeyers 饰)发生婚外情的滋味，艾比和艾洛蒂越来越亲密的关系让她感到愉快。

与此同时，弗兰克和查理在以前的工作中发现了一个致命缺陷。

美国军方告密者的身份暴露，因此引出一系列严重后果。奥卡姆怀疑秘密研究基地中有人泄密情部，而弗兰克是最明显的嫌疑人。查理不惜用科研成果当赌注与兰克费一较高下，他将兰克费一顿暴揍来报妻子受辱之仇。然而在艾比眼里，查理已不是那么的重要，此时她做出一个改变一切的决定，她想和艾洛蒂(CaroleWeyers 饰)一起逃离曼哈顿。

查理的心理防线被弗兰克击垮，他不愿再加入到瘦子的研发小组，但艾力克却向他施压。艾力克从查理的口中得知弗兰克欲插手，他暗中找艾伦打探弗兰克的虚实。弗兰克调查的脚步也受到了阻止，他的权限被降级。艾伦和查理的关系更加紧张，而艾伦的住所竟然被回收。

查理鼓起勇气向艾力克递交辞呈，此时弗兰克也向艾力克发难，无奈的艾力克最终选择自杀。

艾力克的死引起轩然大波，军方也突然行动将查理囚禁起来。军方怀疑艾力克是间谍，查理和艾伦也因此被牵扯进来，查理百口莫辩。弗兰克的妻子凯丽担心弗兰克会被牵扯进去，她找到艾比商议对策。军方查不到艾力克的罪证，他们只好将罪名推到查理身上。

然而真正的间谍米克斯已悄然逃出，此时弗兰克却承认自己是间谍，他用自己保住了计划和查理。