1956年，一批年輕的中國學生被公派留蘇，學習飛機設計。其中，沈巖的父親是工程師，郝一梅是軍長的女兒，梁衛國則是工人家庭出身。這些青年人為了共同的理想走到一起，結為好友。 蘇聯女生瓦麗婭的父親是個蘇聯紅軍，曾來中國，參加過解放滿洲裡戰役，瓦麗婭一家對中國感情深厚，她和沈巖在共同的學習生活中，建立了真摯的友誼和美好的愛情。 大家畢業後，回到祖國，瓦麗婭也隨導師什克洛夫斯基作為蘇聯專家來到中國，幫助進行社會主義建設，她和沈巖的情感與日俱增，兩人在中秋節舉行了婚禮。這即是中國傳統節日，又是新中國成立十周年的紀念日，也是蘇聯十月革命的勝利日。 一年後，在蘇聯專家的幫助下，沈巖等人設計的飛機，飛上了藍天，他和瓦麗婭的兒子小航也出生了。 瓦麗婭來中國後，每天緊張工作，一直沒能回家看望父母。好不容易等到一次機會，瓦麗婭可以回到蘇聯了。沈巖一家人難舍難分，他們誰也沒想到，這一別就是24年！ 瓦麗婭走後不久，蘇聯突然單方面宣布撤回專家，她無法再回到中國。此時，瓦麗婭的父親病重，很快就離開了人世。爸爸離世帶來的心痛，對沈巖和小航的思念，讓瓦麗婭陷在無法自拔的苦楚之中。 沈巖根本不知道妻子在蘇聯的情況，還在苦苦等待。他堅持給瓦麗婭寫信，但都石沉大海。同時，他又尋找各種途徑想得知妻子的現狀，可歷經波折，仍然杳無音訊。六年過去，依舊沒有任何消息。郝一梅一直非常喜歡沈巖，頂著流言蜚語，默默照顧他，吃了很多苦，受了無數委屈，沈巖非常感動，但他心裡始終牽掛著瓦麗婭。終於有一天，沈巖通被告知瓦麗婭已經和別人結婚，建立了新的家庭，沈巖受到巨大打擊。 沈巖的兒子小航是個混血，常受人欺負，郝一梅總是保護他不受傷害，小航想媽媽想得非常苦，郝一梅冒充瓦麗婭給他寫信，安慰他的心靈，沈巖終於被郝一梅打動，接受了她的愛情，兩人結婚了。婚後，沈巖去大興安嶺勞動，夫妻兩地分居，郝一梅含辛茹苦，將小航帶大。沈巖心裡始終沒有放棄飛機設計，一邊勞動，一邊悄悄搞研究，希望有機會再為祖國的航天事業貢獻自己的力量。 艱苦的日子終於過去，粉碎了四人幫，大家回到原來的工作崗位，孩子們也都長大成人，中國恢復了高考，開始改革開放，生活有了天翻地覆的變化。但中蘇關係還沒有解凍，沈巖和瓦麗婭依然聯繫不上。其實瓦麗婭並沒結婚，她還是一個人孤獨地生活，等著和沈巖團圓的那一天。 小航無時無刻不想著尋找自己的生母瓦麗婭。經過他努力的學習，他能夠去蘇聯留學。小航希望借此機會完成自己的心願。臨行前，沈巖交代小航回國前要去祭奠自己未曾見面的外祖父，命運之神恰恰在這一刻眷顧了這對母子——小航遇到了同來祭拜自己父親的生母瓦麗婭，母子二人闊別二十多年後再次相逢，抱頭痛哭。 然而，父親再婚，母親未嫁的局面讓小航左右為難。備受煎熬的小航在郝一梅的逼問下將真相告訴了沈巖，沈巖悲痛萬分。沈巖和郝一梅來到蘇聯，準備領取年度獎項。另一方面，就是讓沈巖與思念的愛人瓦麗婭再會。當沈巖來到奧列格家企圖見到瓦麗婭時，面對的只是奧列格的指責。小航告訴瓦麗婭，爸爸和郝媽媽這些年來所承受的磨難，瓦麗婭潸然淚下。郝一梅主動敲開瓦麗婭的家門，與瓦麗婭促膝長談，化解了三人之間的誤會。 莫斯科大學的廣場上，回首三十年來的艱辛坎坷，四人感慨萬千。小航決定留在媽媽的身邊，陪伴瓦麗婭度過餘生。而沈巖與郝一梅回到了中國，重新開始自己的生活。
