全剧共由“序幕”、“国难当头”、“毕业歌”、“冯·卡门家的圣诞夜”、“冲破黎明前的黑暗”、“难忘那一夜”、“尾声”七部分组成，结尾以“毕业歌”呼应。
序幕：两位银发老人相守依偎，回忆起80年前的往事——钱学森在少年时就向小妹妹蒋英许下造出真正的飞机、带着大家飞到天上去的承诺，埋下了航空梦的种子。
第一幕“国难当头”：淞沪抗战期间，钱学森等交大学生组成伤兵救护队，在抗战后方积极救援。战争年代的烽火岁月让钱学森对“国仇家恨”有了深入的体会，十九路军战士赵有栋重伤拒下火线的震撼更是让钱学森对“科技救国”“航天救国”的思想有了更深刻的感悟。
第二幕“毕业歌”：辍学的地下党员乔贵先和钱学森讨论关于毕业深造的选择。是怀着一腔热血投笔从戎，还是以其天分和对航空事业的热情出国留学深造、学成归来后发展中国的航空事业？国家危难之际，科学家与冲锋陷阵的士兵一样重要，而科学家更能以一当十、以一当百、以一当万千，以科学的力量报效国家。少年智，则国智，少年强，则中国强！钱学森最终选择出国深造，立志以尖端的科学技术来捍卫中国人的神圣尊严！
第三幕“冯·卡门家的圣诞夜”：钱学森在取得航空工程的硕士学位后，师从世界工程力学和航空技术的著名权威冯·卡门教授学习航空理论，跨入了一个更为广阔的科学天地。圣诞夜当晚，钱学森与冯·卡门就学术问题产生争论，钱学森不畏权威，坚持自己经过反复演算得出的数据。冯·卡门教授最终虚心承认自己的错误，并为钱学森敢于坚持真理、敢于挑战权威而感到骄傲。
同时，话剧以蒋英的视角，讲述钱、蒋二人相知相惜的爱情经历，体现了钱学森与夫人之间科学与艺术完美结合，于紧张情节中增添了一抹浪漫色彩。
第四幕“冲破黎明前的黑暗”：新中国成立后，钱学森与蒋英日夜期盼回到中国，两人深夜在公寓中相拥看国旗、唱国歌，但钱学森却突然在家中被拘禁，被诬陷为间谍、非法入境、携带机密材料等，受到折磨和迫害。黑暗的日子虽长达5年之久，但钱学森夫妇始终未曾动摇回国的决心，钱学森被迫在浴室进行科研工作，时刻为回国做着准备。经新中国领导人积极营救，钱学森终获自由。“科学没有国界，科学家却有自己的祖国！”回国前夕，面对冯·卡门的苦苦挽留，钱学森用他对中国强烈的爱说服了年逾古稀的老师。候船大厅里，面对有备而来的美国海军次长金贝尔的威逼利诱，钱学森机智应对，终于踏上归国之路。
第五幕“难忘那一夜”：大雨滂沱中，中国国防部新成立的导弹第五研究院全体成员列队欢迎钱学森的归来。回国后，钱学森有着无穷的力量，不知疲倦地跨越了一座又一座科学高峰。在中国航天技术零基础的条件下，在茫茫大漠戈壁之上，带领一大批志同道合者弥补了中国国防的空白，开始了从事新中国火箭、导弹和航天事业的壮丽生涯。“五年归国路，十年两弹成”！他用生命诠释了唯有拥有一颗赤子之心，才能成为真正的人民科学家；他用淡定的笑容，传达出为国家奉献的自豪，作为一个中国人的骄傲！
尾声：两位相知相守一生的老人又一次出现在舞台上，当年的1934届交大毕业生再一次自豪地述说起自己的毕业誓言。那样的掷地有声，那样的历历在目，“希望，在不久的将来，我的专业能为祖国的独立强盛打造最坚实的后盾！”钱学森用一生实现了自己当初的承诺。
