年事已高的齐向前(王千源 饰)在儿子的陪同下登上复兴号列车，步入驾驶室后，他的目光投向窗外飞速掠过的景象，思绪随之被牵引至七十年前的岁月。那时，刚从抗美援朝战场复员的年轻军人齐向前，甫一拂去身上的战火尘埃，便毅然投身于新中国工业发展的洪流之中，内心怀揣着制造属于中国人自己的火车头的坚定理想。在大北站的月台上，他意外邂逅了曾在朝鲜战场并肩作战的战友——卫生员盛捷与毕业于北方交大的技术员秋实。与此同时，为奔赴大北厂而来的，还有经历公私合营的小业主孔仕举、曹德和及其夫人，以及从东北远道而来的七级大工匠于德水(张丰毅 饰)的妻子刘桂芹(丁嘉丽 饰)与他们的三个孩子。
齐向前前往工厂报到时，发觉厂长竟是部队时期的老上级何枫，不禁感到又惊又喜。被分配到材料科担任采购员的安排并未让他满足，齐向前恳切地向厂长请求，希望将自己调往生产车间，亲身参与火车头的制造。为了成长为一名符合标准的工人，他决意拜大北厂内声望最高的七级大工匠于德水为师。然而，尽管他再三诚恳请求，于德水始终未予应允，坚持不收下这位年龄偏长的学徒，并向他提出一项考验：何时能够用十铲之内斩断钢筋，何时再商议拜师之事。
春华剧社的演员白若雪(童蕾 饰)，是秋实昔日在天津相识并倾慕的对象，后因参与学生运动遭到逮捕，两人自此失去联络。或许是命运的安排，一年前，白若雪所在的春华剧社迁至大北市落户。在这片冰封雪覆的北国之地，分隔多年的两人竟再度相逢。