Провинциальный пилот Валико Мизандари по прозвищу Мимино, что значит «сокол», занимается вертолётными перевозками почты, фруктов, кур, баранов и даже коров в горных районах Грузинской ССР. Однажды встретив в Тбилисском аэропорту приятеля по лётному училищу и увидев, на каком великолепном сверхзвуковом самолёте тот летает и в компании каких красавиц-стюардесс работает, Мимино решает изменить свою жизнь и отправляется в Москву подавать документы на переобучение. В гостинице он оказывается в одном номере с армянским водителем Рубеном Хачикяном, которого ошибочно приняли за профессора-эндокринолога.

1942 год. Берия поручает своему заместителю Всеволоду Замятину собрать команду ученых, чтобы спроектировать первую советскую атомную бомбу. Сделать это в разгар войны и в сжатые сроки — задача практически невыполнимая. Под руководством Курчатова в Москве начинает работу секретная Лаборатория №2, сотрудниками которой становятся лучшие умы со всего Союза. Курчатов убеждает Замятина включить в проект двоих ученых: дерзкого и самоуверенного Фролова, который ранее открыл спонтанное деление ядра, и радиохимика Карпову, находящуюся в ссылке в Казахстане. И хотя Фролов и Карпова вызывают вопросы в Наркомате Внутренних дел, просьбу Курчатова решено выполнить. Одновременно с этим советская разведка работает над тем, чтобы добыть необходимую для проекта научную информацию за рубежом. Агенту Екатерине Лазаревой, бывшему физику и возлюбленной Фролова, удается передать в СССР важнейшие данные об атомном проекте союзников. С этого момента Советскому Союзу необходимо догнать Великобританию и США, чтобы достичь ядерного равновесия в послевоенном мире.