曼哈頓計劃

　　查理帶着妻子艾比和兒子喬伊來到荒漠中的小鎮，加入瑞德·阿克力主持的原子彈研製方案——“瘦子”。弗蘭克·温特七人小組的備選方案能比“瘦子”方案節省12周的時間，卻得不到主管奧本海默博士和軍方的支持，小組面臨解散。基地內的研究員家屬們絲毫不知工作內容，僅知道在研製一個“小玩意” 。庫克斯上校在實驗基地大肆肅查間諜，亞裔研究員廖被軍方秘密逮捕。

　　華裔研究員廖西被秘密逮捕後，遭到囚禁和逼供，同時弗蘭克因告發廖西，得到軍方支持，小組免於被解散。基地得到微量鈈的樣品，弗蘭克小組未分到鈈，弗蘭克欲以實驗證明自己方案可行，但爆炸實驗卻意外失敗。弗蘭克安排廖西去從軍，但廖西襲擊看守欲逃跑，被憲兵槍殺。

　　士兵唐雷威射殺廖西后，心中難以平靜，但庫克斯上校竟將其升職調離門衞職務。查理在組內極不合羣，被同事嘲笑的他瞬間解決難住同事數週的難題。弗蘭克仍不放棄自己的方案，但小組內眾人已情緒低落到極致。艾比被勸去基地內找工作，成為基地極其嚴密監視網絡的一員。弗蘭克獨自試爆成功，驗證了自己的設想。

　　活的傳奇——物理學家玻爾逃出納粹控制來到美國後，將來核彈研製基地。奧本海默派查理陪同接待玻爾，基地盛傳玻爾將接替奧本海默主持核彈計劃。弗蘭克工作入魔精神狀態不穩定，屬下保羅決定轉投阿克力“瘦子”小組。但在一次私下的野外爆炸試驗中，弗蘭克和保羅以及一個憲兵由於汽車損壞被困在離基地三十英里外的沙漠裏。

　　阿克力小組的“瘦子”方案由於炸彈體積太大，現有的轟炸機B-29難以運載，被軍方斃掉。弗蘭克小組的格倫·巴比特博士半嘲諷半提示給查理講葷笑話，查理卻當眾曝出巴比特與暗投蘇聯的理查德·拉弗兒教授是好友，引來反間諜部門的調查。温特夫人研究蜜蜂，寫的論文卻難以郵寄出基地，最後甚至連飼養的蜜蜂也被毒殺。

　　胖子弗裏茨在實驗中不慎將鈈元素吸入體內，弗蘭克發現基地軍醫對此事危害估計不足，一番調查後更是發現軍方漠視科研人員的生命健康。弗蘭克不願居里夫人的悲劇重演，質問庫克斯上校，上校拿出一份情報，證明海森堡領導的納粹德國核彈團隊已經遙遙領先，此事一旦曝光會拖延進度。温特夫人發覺蜜蜂無故死亡、植物發生變異疑惑頓生，而似乎瞭解內情的弗蘭克卻不向妻子透漏。

　　基地派遣查理和海倫去鈈生產廠檢查指導，提出的意見卻被傲慢廠方無視。由於核反應出人意料產生了新的同位素，導致反應堆由於温度過高故障。家中女僕未來上班，温特夫人堅持要去探望，弗蘭克阻止未果只得陪同。艾比得知查理與海倫一起出差，擔心查理出軌，被女同事煽動摘掉婚戒去參加舞會，在舞會上被灌醉險遭侵犯。

　　查理髮現鈈的數值異常，他想要找人幫助計算但是一切通話都會被監聽，查理懇求艾比做內應逃避監聽並藉機放艾比大假。計算結果傳回令查理大吃一驚，整個製造計劃都存在着危險，但查理不敢肯定艾薩克是否早已知曉。保羅請來的荷加斯博士雖然對爆聚研究頗深但行為作風很差，貪圖美色加上口無遮攔一時令保羅難堪。查理沒忍住將消息告訴了弗蘭克，弗蘭克卻好像早就知道。

　　查理答應艾薩克的升職條件，他被委任掌管辦公室的日常事務，查理要求對全員實施大檢查。弗蘭克對查理的意見頗為震驚，但他現在急需要尋找炸藥來完成計劃。米克斯在同事的慫恿下一同食用了含有神經性毒素的蘑菇，大腦異常興奮竟使得他尋找到瘦小子的計算漏洞。艾比和女同事喝酒險被侮辱，然而她將此事告知查理卻被無視。

　　安妮出現在秘密研究基地，她將揭開丈夫隱瞞的真相，弗蘭克不得不面對昔日的夢魘。艾比面臨非常困難的選擇，一方面她希望忠於自己的婚姻，另一方面她無法抗拒與艾洛蒂發生婚外情的滋味，艾比和艾洛蒂越來越親密的關係讓她感到愉快。與此同時，弗蘭克和查理在以前的工作中發現了一個致命缺陷。

　　美國軍方告密者的身份暴露，因此引出一系列嚴重後果。奧卡姆懷疑秘密研究基地中有人泄密情報，而弗蘭克是最明顯的嫌疑人。查理不惜用科研成果當賭注與蘭克費一較高下，他將蘭克費一頓暴揍來報妻子受辱之仇。然而在艾比眼裏，查理已不是那麼的重要，此時她做出一個改變一切的決定，她想和艾洛蒂一起逃離曼哈頓。

　　查理的心理防線被弗蘭克擊垮，他不願再加入到瘦子的研發小組，但艾力克卻向他施壓。艾力克從查理的口中得知弗蘭克欲插手，他暗中找艾倫打探弗蘭克的虛實。弗蘭克調查的腳步也受到了阻止，他的權限被降級。艾倫和查理的關係更加緊張，而艾倫的住所竟然被回收。查理鼓起勇氣向艾力克遞交辭呈，卻發現Akley才是一直在欺騙自己：他早已發現瘦子計劃有問題，卻瞞着查理，查理最終一氣之下離開了Akley的辦公室，絕望的Akley用獵槍對準了Flank,要求Flank幫他完善瘦子，出人意料的是，Flank答應了，兩人同意一起前往冶金實驗室，然而Akley卻在車中用獵槍自殺了。（也有人認為是由於槍支走火。）

　　整個基地都因為Akely的自殺而人心惶惶，奧本海默找到弗蘭克，要求他準備接任Akley的位置，爆聚彈正在走向舞台中心。與此同時，查理因為違反了區域分割計劃被捕，面對各種無法解釋的指控，還有妻子的婚外情，查理逐步走向崩潰。弗蘭克得知保羅退出小組前去勸阻但是毫無作用。夜晚Flank獨自在舊實驗室拍攝計算公式，恍惚中似乎聽到了死去的廖西和自己説話。於是弗蘭克毅然通過安裝在自家衣櫥的竊聽器，將查理全部罪行強加在自己和死去的Akely身上。查理無罪釋放，並接任爆聚組，Flank則被秘密帶走了。

片尾，艾比再次懷孕，米克斯謊稱母親去世前往與俄國間諜會面，而查理在自己辦公室內看着弗蘭克走前留下的幻燈片，上面是元素裂變率和爆聚彈的公式。