1960年，年轻技术员常汉卿刚留学回国，在火车上遇到刚从铁道兵部队转业回来的女战斗英雄金灿烂。两人因为座位问题发生争执最后拉扯起来，就在这时金灿烂听到列车车厢外大喊抓特务，金灿烂毫不犹豫地冲出卧铺间。
金灿烂最终凭出色的身手和过人的胆识帮助乘警们抓捕了特务。金灿烂突然想到特务装着炸弹和发报机的箱子，她联想到常汉卿随身带着的视若珍宝的箱子。金灿烂断定常汉卿一定是特务的同伙，她叫上乘警一起去抓捕常汉卿。
金灿烂制服常汉卿后乘警查看了他的箱子，发现里面装的是电力车的绝密资料和部件。常汉卿又出示了各种证明身份的证件，他不满地斥责金灿烂并将她贬得一文不值。金灿烂理亏只得忍气吞声。
江南机车厂的主任冯仕高奉命来车站接金灿烂，他想起在英模报告会上亲手给金灿烂献过花，那时的他对英雄金灿烂充满无限的崇敬和仰慕。不多时他便看到金灿烂和常汉卿分别走出车站，冯仕高忙迎上前。
冯仕高向金灿烂介绍了常汉卿的身份，他是江南机电厂的工程师博士，他箱子里带回来的也是从国外进口的昂贵仪器。金灿烂闻言在些心虚，但仍然对常汉卿没有好脸色。常汉卿见冯仕高来接金灿烂有些不解，冯仕高拿出调令告诉常汉卿金灿烂是刚调到他们厂的女战斗英雄。
金灿烂和常汉卿不得不同时坐同一辆车回厂。两人在车上针锋相对不停争吵，常汉卿毫不谦让，而且时刻摆出一副资本家少爷的臭讲究，金灿烂终于忍无可忍地下车步行，她宁愿淋雨也不愿跟常汉卿同车。
冯仕高陪着金灿烂淋雨步行，直到走了四十多公里才走到厂里。厂里保卫科的王胖子迎接了金灿烂，金灿烂顾不上休息坚持要去看看电力机车，她太想看看不烧煤的火车到底是什么样。
金灿烂看到电力机车叹为观止，她问王胖子既然是大会战为什么没有宣传气氛。王胖子为难地说，以前有但常汉卿不喜欢所以取消了。金灿烂当即掏出快板跳上高处给工人们表演快板书。金灿烂的表演引得工人们阵阵喝彩，常汉卿却站出来厉声制止了金灿烂。
苏联专家瓦西里跟冬妮娅剧烈争吵，瓦西里不允许冬妮娅帮机电厂，他悄声说这是最新的指示，现在形势发生了变化。瓦西里拿出一沓照片指责冬妮娅违反了苏联专家不能跟中国人谈恋爱的规定，而且还是常汉卿这种资本家的后代。冬妮娅辩解说是自己单方面爱上常汉卿，这跟他无关。
瓦西里要求冬妮娅交出核心资料柜的钥匙，他从冬妮娅手中接过拿走资料柜里的核心资料。冬妮娅担忧地问瓦西里是不是发生了什么事，瓦西里一副无可奉告的表情。这时常汉卿过来找冬妮娅想讨论一些技术问题，结果被瓦西里挡驾。
常汉卿悄悄翻墙潜到冬妮娅卧室外，他给冬妮娅带了些菜和饼干。常汉卿想请教一些技术上的难题，冬妮娅却回避着说要跟常汉卿喝酒。常汉卿没酒量想推辞，冬妮娅却说如果他喝完酒自己就告诉他难题的答案。常汉卿毫不犹豫地拿起酒瓶灌起酒来。常汉卿和冬妮娅此时全然没有注意到房间炉子上的水壶里的水开了溢出来扑灭了炉火。
常汉卿喝完酒踉跄着准备往外走，哪知熄灭炉火里冒出来的煤气让常汉卿顿感头晕目眩。常汉卿歪倒在冬妮娅怀里，冬妮娅也立足不稳两人双双摔倒在床上。
此时金灿烂听了冯仕高对常汉卿的介绍才知道常汉卿原来这么有才，放弃国外优厚的条件回国参加电力机车研制。金灿烂当即决定向常汉卿当面道歉，对自己之前对他恶劣的态度。谁知她来到常汉卿家里发现自己的水壶扔在常汉卿家的垃圾桶里，金灿烂勃然大怒。
就在这时负责苏联专家小楼安全的保卫员发现常汉卿和冬妮娅出事。保卫大呼小叫地向金灿烂汇报，金灿烂夺过保卫的枪端着枪和冯仕高等人冲进冬妮娅房间，只见冬妮娅和常汉卿双双倒在床上昏迷不醒。金灿烂怒骂常汉聊是流氓欲拿枪挑了他，冯仕高赶紧制止。
金灿烂等人手忙脚乱地将常汉卿和冬妮娅挪到屋外。此时瓦西里也接到通报，他匆匆赶回住处。在发现冬妮娅还有呼吸时，他丢下冬妮娅乘乱回了房间拿走常汉卿留在房间的三张图纸。
金灿烂发现常汉卿是煤气中毒，情急之下她为常汉卿做了人工呼吸。常汉卿终于醒来，他语气虚弱地责怪金灿烂直接人工呼吸根本不卫生。这时救护车赶到，金灿烂用手铐将常汉卿铐了起来。她悄声对常汉卿说，她这么做是为了给苏联专家一个交待。
常汉卿被救护车拉走时，白曼宁匆匆赶到。看到常汉卿还戴着手铐甚是不解。冯仕高不满地解释说，这就是个案子。白曼宁担心不已。众人散去后，冯仕高一副老谋深算的样子对金灿烂说，他们可以把此案办成一个铁案，坐实常汉卿的罪过，谁让他妄图篡改苏联专家的方案。金灿烂也可以通过这个事一案成名。金灿料闻言若有所思。
白曼宁主动找常汉坤，常汉坤还找出几件冬妮娅送给常汉卿的礼物证明是她对常汉卿在意。白曼宁暗恋常汉卿已久，她说自己可以对外宣称她已经跟常汉卿订婚帮他脱困。常汉坤很意外，她觉得白曼宁拿清白声誉帮常汉卿让人费解，她希望白曼宁直接提条件。白曼宁不愿说出小心思。
常汉坤提着煲好的汤到医院看望常汉卿，金灿烂挡驾称案子没查清不能探试。常汉坤拿出冬妮娅送给常汉卿的礼物证明是她对常汉卿有意。金灿烂仍然不放常汉坤进病房，常汉坤只得把汤交给金灿烂代交。
金灿烂到病房把汤交给常汉卿后开始调查常汉卿，常汉卿辩解说自己跟冬妮娅是正常交往，他只是去跟冬妮娅讨论图纸。金灿烂表示怀疑，常汉卿对金灿烂一番讽刺不愿跟她多说。金灿烂气急败坏。
金灿烂出了病房问王胖子堪察冬妮娅房间里有没有发现图纸。王胖子一脸疑惑地说并没有看到图纸。金灿烂随后去了冬妮娅房间，她疑惑没有看到图纸。冯仕高得到王胖子通风报信匆匆赶到冬妮娅房间，他唯恐得罪苏联专家，坚持认定常汉卿没有受屈。
金灿烂坚持要检查瓦西里的资料柜，瓦西里不情不愿，最后甚至与金灿烂发生冲突。冯仕高息事宁人地把金灿烂拉到房间外，他说瓦西里一直对常汉卿要修改方案而心怀不满，这次千万不能得罪苏联专家。
常汉卿被关在病房不能脱身，他暴躁不安时在常汉坤送来的保温盒子里发现她写给自己的纸条。常汉坤让他承认与白曼宁订婚的事。常汉卿简直无语。
白曼宁找金灿烂称自己是常汉卿未婚妻，她拿出戒指和订婚契约给金灿烂看。金灿烂将信将疑。
金灿烂始终不相信常汉卿是清白的，她逼着常汉卿对订婚一事拿出态度，不然白曼宁就存在作伪证的嫌疑。常汉卿咆哮着承认说自己确实跟白曼宁订婚了。
常汉卿想出病房去找冬妮娅，他说自己有三张重要的图纸落在她房间里，而这三张图纸关系着新中国电力机车的研究成败。原本死死堵着门的金灿烂辩解说自己在冬妮娅房间并没有看到什么图纸，瓦西里也说没有图纸。但常汉卿态度坚定，金灿烂意识到问题严重性，她让开了身。
常汉卿冲出病房马上问工人电力机车研究中有没有什么问题。常汉卿紧张样子让金灿烂看到他强烈的责任感，她对常汉卿的认识有了些许改观。她主动带常汉卿去了车间。
吴厂长从北京回来，冯仕高在门口迎接。吴厂长已经听说了常汉卿煤气中毒的事，又听说保卫科把常汉卿关押起来的事。吴厂长勃然大怒，他怒斥冯仕高不该这样对待常汉卿这种专家。
冬妮娅的病房里，她愧疚地说他们不能享受着中方对他们的关照而不出力。中方已经好几次来邀请冬妮娅了，她无法再安之若素。冬妮娅坚持要离开，瓦西里拉住她。瓦西里说他们不能帮中方，而且冬妮娅爱上中国工程师的事如果传回国，她的前程会完全被毁。除非让常汉卿承认对冬妮娅图谋不轨。冬妮娅痛苦地说自己做不到。
车间里电力机车研制遇到难题，吴厂长语气沉重地对常汉卿等人说，他们跟师父学艺的时间没有多久了，这次他们必须把冬妮娅请回来。常汉卿等人一脸不解，金灿烂心中有了主意。
金灿烂主动向瓦西里认错，为平息他的怒气，她主动掏出带来的酒将满满一瓶一饮而尽。金灿烂请瓦西里同意让冬妮娅帮助他们。瓦西里仍然不松口，金灿烂再次拿起另一瓶酒准备再喝干，常汉卿冲过来一把夺过金灿烂手里的酒。
常汉卿愤然对瓦西里说，他会答应瓦西里的要求写检讨书并让他拍照取证。做完这些承诺，常汉卿把金灿烂送到医院。
常汉卿一大早拿着写的检讨书来找白曼宁，他歉意地说把检讨书展示给白曼宁。白曼宁伤心不已强装出不在意的样子。常汉卿说自己对不起白曼宁欠她一辈子。
常汉卿将检讨书张贴在布告栏并让瓦西里拍照取了证，他说这样就可以洗清冬妮娅的嫌疑。瓦西里不依不饶地说他还要一份处分决定。
厂里的职工上班时都看到了常汉卿的检讨书，众人议论纷纷，白曼宁觉得无地自容。吴厂长驱散围观的职工并暗示金灿烂扯下检讨书。
吴厂长将对常汉卿的处分决定交给瓦西里，他诚肯地请求瓦西里同意冬妮娅返回车间。瓦西里拒绝说他们马上就要回国了。吴厂长语重心长地劝瓦西里说，离他们回国还有四十八小时，而且谁也不知道未来的事情和发展。瓦西里最终同意了吴厂长的请求。
吴厂长交代常汉卿争分夺秒地从冬妮娅那里掌握更多的内燃机技术，这时冬妮娅来到车间。吴厂长意味深长地叮嘱常汉卿时不我待，分秒必争。接着吴厂长通知厂务的老姚马上组织厂里六个专家组交给常汉卿负责。老姚一头雾水。
冯仕高在办公室看到楼下吴厂长神色凝重地下令买飞机票。冯仕高十分不解，他觉得有什么重要的事要发生。
金灿烂到办公室找冯仕高，冯仕高准备把金灿烂暂时安排到招待所去住。金灿烂主动提出住到白曼宁的单身宿舍，她说常汉卿这次贴出检讨书让白曼宁厂花变成笑话，担心白曼宁想不开，正好住过去安慰她。冯仕高只得听从金灿烂的安排，他说自己马上要去省里，他提醒金灿烂多注意常汉卿和苏联专家。
金灿烂背着行李来到白曼宁宿舍，她说总务科安排自己跟她住一间宿舍。一直住着单间的白曼宁十分不满却又无可奈何。金灿烂替白曼宁打抱不平说，未婚夫当着全厂的面承认做的错事，白曼宁就该跟他解除婚约。白曼宁假装有苦难言地掩饰说自己还要想想。金灿烂说自己已经帮她通知了厂妇联和工会，一会他们就来。白曼宁大惊失色地指责金灿烂不该掺和他们的事。
青工陈凯一直仰慕和暗恋白曼宁，他主动找白曼宁安慰她让她想开一点。白曼宁却一点也不领情，她礼貌地对陈凯道谢后匆匆转身离开。陈凯倍感失落。
冬妮娅帮常汉卿顺利解决了引燃管方面的问题，常汉卿对冬妮娅非常感激。冬妮娅突然接到瓦西里电话，瓦西里警告冬妮娅说他们还有三十个小时就要回国了，电力车的核心资料冬妮娅千万要保密。
冬妮娅放下电话流下难舍地眼泪，她说没想到常汉卿揽下过错承认是他爱上自己。冬妮娅心下感动，她放弃吃晚餐主动传授常汉卿更多的知识。冬妮娅最后试探地问常汉卿能不能去苏联，中国的电力机车技术太落后了。常汉卿坚定地摇摇头。冬妮娅非常失落。
金灿烂和王胖子晚上巡逻看到常汉卿正和冬妮娅在车间里加班。金灿烂若有所思地说是不是有人逼着常汉卿写的检讨书，她决定要查个水落石出办成铁案。晚上常汉卿结束工作准备回家时，金灿烂追着他问他是不是被人逼着写了检讨，她想了解更多的情况。常汉卿被金灿烂逼得没办法，只得答应会向白曼宁认错并把医院里自己乱涂乱画的墙壁刷白。
金灿烂为了让常汉卿有更多的时间搞研究，她主动到医院替常汉卿刷墙。就在金灿烂刷墙时无意间打碎常汉卿放在病房里的保温桶。金灿烂在拾起保温桶碎片时，无意发现保温桶里常汉坤写给常汉卿的纸条。
金灿烂找白曼宁，她拿出自己发现的纸条。白曼宁吓坏了。金灿烂却认为白曼宁是受了常家的威胁，她替白曼宁打抱不平。金灿烂拉着白曼宁到常家兴师问罪，她认为白曼宁是受了常家的收买威胁。白曼宁说自己是仰慕常汉卿主动愿意帮他的，她不想因此事耽误常汉卿时间干扰他的研究。
金灿烂觉得常汉坤和白曼宁负隅顽抗，她愤然下令让白曼宁留在常家不得随便离开。金灿烂拎着保温桶去找常汉卿，在金灿烂咄咄逼人的质问下，常汉卿主动道歉，但却不愿多做解释，他说这事可以缓几天再说。
金灿烂认定常汉卿就是想拖延时间，常汉卿也怒了，他说自己会向吴厂长解释，到时候金灿烂可以旁听，但现在他确实没时间。常汉卿说完匆匆想离开去车间找冬妮娅，金灿灿认定常汉卿就是想拖延，她拦住常汉卿不放他走。
冬妮娅匆匆跑进车间问常汉卿去了哪里，工人们说常汉卿不在。冬妮娅来不及细说，她拿出一本重要资料让工人马上翻拍，能拍多少是多少。工人虽然疑惑，但还是迅速拿出相机拍照。
就在金灿烂跟常汉卿僵持时，他们突然听到广播里正在播放的苏联歌曲突然中断改播了中国的歌曲。金灿烂和常汉卿疑惑不解，常汉卿突然恍然大悟一般冲向车间。金灿烂追上去，常汉卿把苏联专家要撤走的事告诉金灿烂，他说自己写检讨什么的都是为了争取时间。金灿烂恍然。
等金灿烂和常汉卿赶到车间时，苏联专家们正把一箱箱的资料和核心部件往外抬。众人眼睁睁地看着这一切仿佛身上的骨头被抽走一般，没了这些东西他们的电力机车研究就没了方向。冬妮娅万般不舍地与常汉卿道别，瓦西里不耐烦地拉走了冬妮娅。
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