1919年震撼世界的“五四运动”爆发了，北大青年教师方东树在学生们的集会上慷慨陈词，浩浩荡荡的师生上街游行，方东树被捕入狱。他的妻子翟尔柔悲伤之中生下一男孩，取名方学桐。军阀政府迫于压力释放方东树，方东树望着相濡以沫的妻子，发出这样的企盼；中国你怎么还不强大起来！中国你什么时候才能强大起来！
十八年弹指过去，方学桐考取了清华大学物理系。和同学钱仲平、高源澄执着于火箭试验，为中国的未来发奋学习，翟尔柔把课堂搬到了长城上，纵论天下，发思古之幽情，寻古代科学发展历史之辉煌，日本侵略者的炮声，破灭了一代学子的科学理想。
秦淮美女张芷若的温文尔雅和才华深深吸引了方学桐，尤其是她的一腔科学报国的主张，更是让须眉男儿惊叹不已。莘莘学子，风华正茂，发奋学习，过早地担起了民族的苦难，面对战争，张国栋教授辞职经商，翟中和教授，方东树却坚守文人品格，教书育人，执着依旧。
战争迫在眉睫，林虹组织同学们进行抗日宣传活动，为祖国生存而战，罗尔斯先生代表美国政府邀请翟中和重返加州大学试验室制造深水炸弹，翟中和拒绝邀请，他决定留下来和自己的国家生死存亡在一起。钱教授为抗拒日本人的野蛮入侵投湖自尽。学校开始南迁，在长沙成立了临时救亡大学，清华北大两校学子共同上了教育史上绝无仅有的第一堂普通物理课。
方学桐和同学们冒着敌机的轰炸，在极其艰苦的条件下，继续着火箭的科学试验，前方传来南京沦陷，上海、杭州等地相继被日军占领的消息，师生人无不悲伤，芷若得知父母被日本人残杀，悲痛欲绝。学校在方东树的组织下继续南迁，徒步向云南挺进。
方东树在去昆明的路上，遇到发国难财的张国栋，张劝方东树下海经商被方拒绝。经过千里大行军。师生们终于完成了中国教育史上的一次“长征”壮举。北大、清华、南开都迁至昆明，成立了国立西南联合大学。高一鸣窃取了方东树的科研成果，并抵制方东树担任中央研究院研究员。林虹坦露心声称方东树是第一个走进自己心灵世界的男人。
美国政府准备选一批成绩优异的学生，利用庚子赔款到美国留学深造。同学们举行纪念会，祝贺方东树从教30周年和五十寿辰。高源澄与家庭决裂，投身到抗日救国的行列里，林虹和方学桐被捕入狱，同学们要求援救，方东树眼含热泪要求学生们坚守学习，时刻不忘肩上的重任。
林虹受尽严刑拷打。仍然坚贞不屈，方东树慷慨陈词“追求真理的青年是抓不完杀不尽的”。在师生们的援救下，林虹获释。林虹拒绝了高源澄的求爱，在一个月光如银的夜晚向芷若吐露了心声。于翌日奔赴延安。投身于抗日第一线。
方学桐为救高宝瑟不幸负伤住院，高一鸣为表感谢，登门送钱被方婉拒。为筹集住院费方东树卖血，不料被芷若发现，二人约法三章，相拥无语。宝瑟向学桐诉说了深埋于心低的爱意。学桐仲平源澄芷若宝瑟考上了庚子赔款的留学生，即将赴美留学。
体弱多病的翟尔柔和学子们一起为抗战前线士兵捐血，感动了张国栋。理学院举行欢送留美学生联欢会。留美学生拒绝绕道日本赴美。在离别之时，学生们请求翟老师再敲一下联大的钟，翟尔柔在钟声中猝然倒下，不幸病逝。师生们陷入无限悲痛之中。方东树挥泪送别爱妻，又赠言即将赴美的留学的儿子方学桐“学以致用，报效祖国”。
