有個地方叫馬蘭

20世紀50年代，張司令員奉命籌建我國核武器試驗基地，他選擇老部下何玉山、徐遠征執行任務。何玉山接到命令，告別兩個孩子和妻子即刻起程；徐遠征在新婚之夜與妻子不辭而別。何玉山接管了從朝鮮歸來的中國人民志願軍，率領戰員們奔赴新戰場。深夜，徐遠征也踏上了列車，二人相見互致軍禮。

張司令員在馬蘭基地的第一次黨委擴大會議上，宣佈部隊到千里大漠尋找核試驗基地的秘密使命。何玉山和徐遠征分別被任命為保障部部長、工兵團團長，承擔基地最艱難的保障工作和特種工程建設的重任。部隊科研人員項懷瑾、李一嬋夫婦分別接受新任務，並被要求不得泄露各自去向，他們將女兒寄養在林玉潔家後便出發了。

何玉山的兩個孩子用黑色的汽油桶放起了炮來，炸出了爆米花，兩個孩子十分興奮，卻被學校領導發現，何玉山被校長叫到學校嚴肅教育。麗薩告訴何玉山林玉潔獨身一人不容易，林玉潔躲在被子裏偷偷哭泣，何玉山聽見卻只能默默嘆氣。何玉山最終決定帶着林玉潔和孩子們一起去新疆馬蘭，林玉潔表示再艱苦也會跟隨他。

徐遠征時隔一年多給林儒丫來信，信中説他可以帶着家屬去馬蘭，林儒丫這一年多受的委屈終於釋放出來了。何玉山剛到部隊就開始忙碌起來，林玉潔只好自己帶着孩子們安頓。徐遠征為保證及時完成工作，回絕了回家接老婆的安排，而是讓組織幫助老婆進疆。深夜，建國還在帳篷外等待着建軍，並承諾一定會找到弟弟建軍。

徐遠征第一時間帶着儒丫來到地窖，告訴她這就是他們的家，儒丫看到家徒四壁，讓徐遠征找些舊報紙和糨糊，她要將家裏好好收拾一番。幾個小夥伴越走越遠，累得精疲力盡。這時，他們看到不遠處有一條清澈的河流，可後來才發現原來一切都是海市蜃樓。幾個孩子天真地出來尋找建軍，但現在都後悔了，建國決定和小夥伴們一起先回家。

司令員給何玉山佈置新任務，到場區籌建一個氣象站。此事由司令部牽頭，何玉山等人全力負責保障工作。在前行的路上，何玉山在一棵樹旁發現一塊大石頭，並埋下小兒子的小喇叭，默默流淚。氣象站設備測試時發電機燒壞，何玉山帶着機器立即準備趕回基地換一台。

何玉山奇蹟般生還並恢復了健康，重返羅布泊氣象站。氣象站的成功運行，結束了羅布泊沒有天氣預報的歷史。馬蘭的孩子越來越多，何玉山奉命修建馬蘭小學。張司令員把基地司令部辦公室讓出來當學校教室。林儒丫是小學教師的最佳人選，何玉山興致勃勃地帶她參觀收拾好的校舍。

何玉山硬着頭皮來到徐遠征家，卻和徐遠征發生激烈爭吵。隨後何玉山任命林儒丫為馬蘭小學教導主任兼班主任。上課不久，林儒丫發現很多學生不按時交作業，徐遠征以校外輔導員的身份給學生們上了一課。

林玉潔和項懷瑾在土坡上討論過往和志向，共同等待原子彈試驗成功的那一天。何建國帶頭逃課，幾個人跑去用土法做箭拿來射老騾子，徐遠征大怒，孩子們不解。何玉山事後給他們講述老騾子“羅鐵柱同志”的故事。林玉潔跟何玉山説起項懷瑾和李一嬋，夫妻二人都在馬蘭，卻彼此不知曉的事情，講到麗薩時，林玉潔又想到了建軍。何玉山向張司令員報告了項懷瑾、李一嬋夫婦的事，司令員指示有關部門瞭解具體情況，儘快讓他們一家三口團聚。

何玉山夫婦幫助項懷瑾和李一嬋在馬蘭相見了，見證他們激動時刻的是戈壁灘上的“夫妻樹”。因為李小歡和爸爸工兵團李教導員來找林老師聊家事的緣由，林儒丫説到當年徐遠征音信全無，母親曾一度勸她改嫁。這下傷了徐遠征的心，他因此給岳母寫信，卻觸犯了基地的保密紀律，或將被調離馬蘭。何玉山雖與徐遠征有心結，但得知這位老戰友可能離開馬蘭時卻十分不忍。他去找張司令員為徐遠征求情。

張司令對何玉山説這件事情他們兩個表態是沒有用的，但話裏話外還是想對徐遠征網開一面。徐遠征知道老何為他求情，半夜到他的門口喊老何，説自己欠了他一個人情，將來如果老何有需要，可以隨時叫他還人情。睡眼惺忪的何玉山起牀出門來見徐遠征，但這時徐遠征已經離開了。麗薩被接到了馬蘭，見到了一年多沒見的建國，還有許多新的小夥伴。建國帶麗薩看了戈壁灘上很多新奇的東西，還和林玉潔見了面。

何玉山帶着部下來到附近的駐軍基地找大蒜，正好遇到以前的戰友老吳，在何玉山一番感人肺腑的勸説後，老吳答應給他兩車大蒜。基地成立了電影放映隊，豐富馬蘭人民的文化生活。李阿姨在何部長的撮合下和放映隊的馬開炮結成夫妻。

曾倩倩文化程度高，被組織安排去馬蘭小學當老師。她服從命令，卻想不通，帶着情緒去了學校。曾倩倩教的數學成績下滑，受到林儒丫的嚴厲批評。張司令員通知何玉山，山洪沖斷鐵路，糧食運輸受阻。

司令找來何玉山，告訴他一個壞消息，甘肅大雨沖垮了鐵路，導致糧食運不過來。而此時基地的糧食只夠頂兩天的。何玉山心急如焚，基地斷糧人命關天，他馬上召集保障部幹部開會，大家想辦法，一定不能讓基地的人餓肚子。最後，小馬提議大家去榆樹溝，摘榆樹葉和樹皮當做食物。

項懷瑾與何玉山探討科學話題，何玉山聽後大開眼界。場區用水困難，項懷瑾因為工程用水不達標責令徐遠征拆了設備重建。老楊被蚊蟲叮咬患了敗血症，何玉山帶藥從烏魯木齊趕回卻為時已晚。

張司令員讓何玉山別忘了初心，讓何玉山放下思想包袱回到崗位，成立了副業隊。建國和麗薩遇上王桂花臨產，叫來大人把她送到醫院，幫助她順利生下孩子。何玉山為王桂花四處尋找營養品，大家紛紛慷慨相助。

入夜，何玉山才躺下就接到小張來報，一批家屬失聯。何玉山起身連夜沿路尋找，將他們安全接回營區。清晨到家，剛倒在牀上，徐遠征又來要求解決問題。

林玉潔反對何玉山撮合楊振祿和曾倩倩，何玉山被質問得無言以對，謊稱值夜班去病房借宿。夜裏狂風大作，何玉山冒險去副業隊搶救物資。何玉山以任務之名叫楊振祿到家裏就為當面撮合他和曾倩倩。楊振祿自知與曾倩倩不合適，悶不做聲，何玉山白忙一場。

小馬拗不過何建國的一再請求，帶他去弟弟丟失的地方。經過沙丘，他們遇到流沙，小馬將建國推開，自己被流沙吞噬。李一嬋在醫院生下兒子，母子平安，但是因為早產嬰兒十分虛弱。幾個孩子模仿做“化學實驗”，試劑發生反應，操場硝煙瀰漫。何玉山把建國拽回家裏狠狠教訓了一頓，讓他明白在馬蘭不該動的東西不能動。

科技人員們重返馬蘭，李一嬋抱着兒子和麗薩也回來了，麗薩把在王府井買來的大白兔奶糖分給大夥。原子彈試驗科研工作全面開展，基地開始大規模建設。司令員強調基地的一切工作都要抓緊再抓緊。經過一年多的大規模建設，一個新的馬蘭在戈壁灘上拔地而起。

李小歡偷來隊鼓，四人每晚悄悄去防空洞練習。曾倩倩跟蹤他們，發現了其中的秘密。鼓樂隊擴充，四人被批准入隊。新學校落成典禮，何玉山回顧馬蘭小學的變遷和孩子們的成長感慨萬千。

小分隊請示後追蹤偵察，最終發現是幾隻野駱駝。李一嬋抱着因早產重度貧血的小項陽奔赴醫院，得知孩子病情後她把孩子託給林玉潔就返回崗位。小項陽終是沒能保住，李一嬋悲痛欲絕，她請求林玉潔不要告知項懷瑾和麗薩。

徐遠征牴觸林儒丫要他去醫院做檢查，本想説去安全防護分隊的事也沒説出口，只好對司令員謊稱林儒丫大力支持。何玉山看到徐遠征和戰士們穿着防化服在高温下苦訓，找司令員要求和徐遠征換崗位，司令員沒同意。

麗薩在雞欄子裏發現無署名情書，惶恐地交給媽媽，李一嬋態度十分開明。放學後，麗薩將建國約出來試探情書是否是他寫的。項懷瑾來看望李一嬋，他用貝殼化石做成項鍊送給妻子，寓意“相連”。他説希望一家四口能一起去照張相，被李一嬋搪塞過去。

暑假期間基地各方面工作都開始緊張起來，林玉潔也要進場區無法照顧孩子們，因此關照建國照顧好妹妹。建英晚上突然發燒，建國十分緊張，立馬將妹妹送去醫院。建英醒後想吃麪條，建國便立馬趕回家做給她吃。建英想吃餃子，李小歡説建軍節大家到食堂幫廚，既能得到獎勵的餃子，又能學會包餃子。林玉潔出差回到家，看見桌上孩子們包的餃子，又激動又欣慰。

趙文傑在艱苦的訓練中一再掉隊，徐遠征不能容忍，拉他不起就勢一推，趙文傑被狠狠甩在地上。何玉山聽説徐遠征可能會因此被撤職，到司令部為他求情。司令員不容勸説。趙文傑前來説明實情，請求司令員撤銷對徐隊長的處分。徐遠征到學校跟孩子們道別，何玉山衝進教室送來司令部關於留下他的決定，徐遠征抱住何玉山哭了。

項懷瑾拿着家中的小藥瓶來找林玉潔，這才知道了李一嬋的病情和小項陽已夭折的噩耗，遭受雙重打擊的項懷瑾踉蹌起身。他來到李一嬋的病房，強壓內心的痛苦安慰李一嬋好好養病。

曾倩倩告訴王桂花自己有戀人，鼓勵她和楊振祿在一起。基地宣佈了一批退出現役、留隊改薪的老戰士名單，楊振祿的名字也在其中。麗薩、建國和張援朝到醫院看望李一嬋，建國出其不意地拿出摺好的千紙鶴，麗薩大為驚喜。

司令部召開各部門戰前動員會。李一嬋鼓勵項懷瑾，要做到萬無一失，必須重新計算，項懷瑾報告司令員可能存在的數據隱患。司令員接到北京的計算結果，與基地復算數據完全一致，司令員和項懷瑾的心終於放下。