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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,參加過解放滿洲里戰役,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,又是新中國成立十週年的紀念日,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。沈巖一家人難捨難分,他們誰也沒想到,這一別就是24年!
瓦麗婭走後不久,蘇聯突然單方面宣佈撤回專家,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。沈岩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。小航希望藉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。