五星红旗迎风飘扬讲述了新中国成立初期的艰难岁月。百废待兴之际，国内外形势依然严峻：盘踞台湾的国民党政权伺机反攻大陆，以美国为首的帝国主义势力也企图颠覆新中国并从中获利。面对重重威胁，中国共产党审时度势，积极号召海外华人科学家回到祖国，共同投身国防事业建设。
在祖国召唤下，钱学森（陈建斌 饰）、邓稼先（郑国霖 饰）、钱三强（杨洪武 饰）等科学家怀揣赤子之心，冲破重重阻碍归国效力。与此同时，国际局势不断变化，中苏关系逐渐恶化，抗美援朝战争的爆发也让原子弹带来的安全威胁更加迫近。为守护新生的共和国，科学家与全国人民同心协力，在极其艰苦的条件下为研制属于中国自己的两弹一星倾注了无尽心血。
