本片通过三代知识分子的经历，以史诗的手法，描述了20世纪中国当代科学和教育家波澜壮阔的奋斗史，塑造了以钱学森、华罗庚、邓稼先、钱三强、朱自清、周培源、吴有训等为创作原型的卓然不凡的艺术群象，生动再现了从抗战爆发的清华北大到烽火硝烟的西南联大，再到新中国诞生之初，一代学子在烽火硝烟中发奋学习长大成人，赴美留学，并取得令世界瞩目的科学成就，最终冲破重重阻挠，毅然返回祖国贡献青春和才华，以满腔热血和拳拳的赤子之心奠基共和国科教大厦的史实。
大明正德四年，原浙江巡抚衙门镇抚司总捕头佟林，天涯寻妻来到古北口。路见不平，痛揍秦岭五虎，救下名医麦青山、雕玉巧手麦玉芝父女、卖货郎燕三以及前往县衙上任的件作刁五门。佟林把捕获的五虎首恶送进县衙大牢，与当地捕快于翰东、雷大力、程咬银起了冲突，幸得悦来客栈的海大娘和海棠母女周旋，双方不打不相识。 当晚秦岭五虎劫狱，逃至麦家，强要神医治伤。佟林赶到麦家，一剑单挑力擒众虎，麦玉芝被他深深吸引。曾住悦来客栈的一名神秘女客失踪，佟林疑心是自己的妻子，四下寻找，发现她己变成无头女尸。知县胡原为女尸案开庭，冤枉了不少人，幸得佟林为大家脱罪，古灵精怪的海棠也爱上了佟林。 佟林山间寻访，找到带有血迹的单刀一把，此刀属于贪财好色的捕快程咬银。京都沼狱锦衣卫衙金事葛天仪也来到悦来客栈，他对神秘女客也很感兴趣，便悬赏二百两找寻女客头颅，并四处打听一把精雕玉扇下落，引起海棠与玉芝的惊疑。原来，这把玉扇已由神秘女客用一百两银子押给了海棠，海棠又请麦玉芝估价，玉芝将玉扇送去给她的雕玉老师贾盈烟估价，不料贾盈烟一见此扇连连叫玉芝退还，因为此乃不样之物恐招杀身败家之祸。佟林在一处被大火烧为废墟的宋厝努力挖掘，因为他听说，酷似其妻的女子，曾在此居住。佟林日夜以锄挖上，玉芝为佟林对妻子的痴情十分感动。葛天仪到麦家，旁敲侧击追问玉扇下落，玉芝不肯吐实。 燕三潜入刁五门工作坊，偷剪无头女尸留下的血斗篷一角，带回给佟林，经麦青山证实刀上的血型，与女尸斗篷上的是同一个人，佟林确定程咬银涉有重嫌，但县令胡原偏袒程咬银，不敢贸然行动。古北口名援、色艺双全的金兰花突然来到了镇上，要为义兄程咬银来出头。她诬陷佟林意图不轨，古北口捕快不问青红皂白的拿住佟林送监侦办。 麦玉芝前往贾府洽商出手玉扇之事，竟发现贾盈烟失踪，家仆万儿暴毙柴房，玉芝仓皇本奔出，竟遗忘了雨伞。不久贾府起火，火场留下两具焦尸，贾府玉器均不翼而飞。衙门怀疑贾家主仆葬身火场，程咬银从玉芝遗下的雨伞怀疑到她，海棠通风报信，带玉芝逃入山中。捕头于翰东在燕三住处搜出了贾府的玉器，燕三逃走，捕快们只得把麦青山带回公堂问话。佟林听说海棠、玉芝逃入深山，急得纵马急迫。隐匿山中的恶匪关东三熊，受葛天仪的指使埋伏此地要办一件大事，见海棠、玉芝二女路过，大喜追逐，二女拼命逃入山洞，幸遇佟林将她们妥为安置。 佟林查探火场，发现多项疑点，断定万儿末死，乃设计引万儿现身，并起出多件贾家失窃的玉器，随之而至的程咬银，为了争功，竟背后打昏了他，被先一步到现场的雷大力和于翰东看到。万儿在公堂常上人供出实情，，只因贪图贾府玉器，将贾盈烟囚在自己家中，再抱来两具死尸放火烧屋，造成盗窃杀人，佟林救出贾盈烟。海大娘、麦青山上山迎回海棠与玉芝。
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