1945年、夏。戦況は悪化し、最終局面を迎えていた。京都帝国大学・物理学研究室で研究に勤しむ実験好きの若き科学者・石村修（柳楽優弥）と研究員たちは、軍から密命を受け、原子核爆弾の研究開発を進めていた。研究に没頭する日々が続くなか、建物疎開で家を失った幼馴染の朝倉世津（有村架純）が修の家に住むことになる。同じころ、修の弟・裕之（三浦春馬）が戦地から一時帰宅し、3人は久しぶりの再会を喜ぶ。しかし、修と世津は、裕之が戦地で負った深い心の傷を垣間見る。また、修は物理学研究の楽しさに魅了されていたが、その裏側にある破壊の恐ろしさに葛藤を抱えていた。そんな2人を力強く包み込む世津は、戦争が終わった後の世界を考え始めていた。それぞれの想いを受け止め、修と研究チームは自分たちの未来のためと開発を急いでいたが、運命の8月6日を迎える。日本中が絶望に打ちひしがれるなか、それでも前を向く修が見出した希望とは……。