1959年深秋的一个傍晚，著名科学家苏冠兰在结束为期半年的对西欧北欧十国的访问后，刚刚回到北京的家中。妻子叶玉菡和孩子们高兴地迎接他，全家沉浸在欢乐的气氛中。苏冠兰正在书房换衣服，忽然看见小小的四合院中走进一位装束华贵、器宇不凡的女客人。望着她那皎洁的面庞上一对引人注目的丹凤眼，苏冠兰心中涌出一种似曾相识的不安感。那女客人走进他的家门，苏冠兰浑身一震，急剧升高的血压引起了一阵昏眩，他已经认出这位女客人正是他离别了31年的恋人丁洁琼——琼姐。叶玉菡去叫丈夫吃饭，却发现他站在窗前像泥塑人一般一动不动。玉菡想了想，匆匆拉开通往小院的门，蓦然看见了不相识的来客。玉菡热情地请她进屋，女客人却执拗地拒绝了。临出院门前，女客人仿佛下了很大决心似的轻声问道，“您是苏冠兰的夫人吗？”玉菡茫然的点点头。“噢，您多幸福啊……”女客人几乎令人觉察不出地叹息了一声，带着一丝苦笑朝玉菡点点头，转身离去。玉菡凭着女性的本能，敏锐地发觉客人在冷漠的外表下，正用顽强的毅力压抑着内心深处某种强烈而复杂的痛楚。玉菡发现丈夫神色异常，勉强吃了几口为迎接他特意准备的丰盛的晚宴，就回到书房中。玉菡奇怪地问丈夫刚才来过的女客人是谁。苏冠兰告诉她，那就是曾经一度和他们二人的终身命运发生过非常密切关系的琼姐。这个名字像晴空的惊雷，在玉菡这个素性沉静的女性心灵上产生了强大的反响。她责怪丈夫为什么不请琼姐进来，苏冠兰痛苦地叹息着“我已经不能请琼姐进来了。”他该怎样对琼姐说呢？说他对不起琼姐吗？说他痛苦、悔恨吗？苏冠兰一夜无眠，那漫长岁月中发生在他和琼姐之间的一切，毫无阻拦地闯进他的回忆。1928年夏，在渤海大学化学系就读的苏冠兰，趁放假到上海旅游。在游泳场奋不顾身地救起了被风浪冲走的琼姐。在医院养伤期间，只比他大几个月的琼姐美丽、热情、大方，苏冠兰感到心灵中的一个禁区被冲击了。为了摆脱感情的困扰，苏冠兰不辞而别。然而一个月后，却又在火车上与琼姐不期而遇。两颗年轻的心，终于连接在一起。车到南京，冠兰和琼姐依依惜别，两双手深情地握在一起。从此，身在南京台城大学的琼姐和身在天津的冠兰鸿雁传书，当时他们谁也不会想到，他们的初恋竟是那般曲折，车站的一别竟然阻隔了30余年。苏冠兰的父亲苏凤麒是一位驰名世界的科学大师，获得过伊丽莎白金冠奖，它的象征是一枚“彗星”钻石指环。
父亲和校长查路德是剑桥的老同学。他把冠兰和好友的遗孤玉菡放到一个学校，一是为了让他们增进感情，以兑现老友临终之托，二是有查路德的照管，他能知道一些儿子的情况。令他担心的是，冠兰不但抵制父亲给他订下的这门亲事，而且和学校里号称“共产党”的鲁宁打得火热。苏老先生派人轮番劝冠兰立即和玉菡成婚，冠兰不为所动。他承认玉菡是个温存、善良、纯洁的姑娘，容貌也不算丑，学业更是出类拔萃的，但他对她却总是爱不起来。而玉菡却深深爱着冠兰。她发现冠兰有意对她冷漠、疏远甚至干脆不理，她变得更加沉默、温柔、寡言，在学业上也更加勤奋刻苦。苏风麒最后以断绝父子关系来胁迫冠兰发誓，将来一定和玉菡结为夫妻。冠兰内心激烈地斗争着，他了解父亲是个说得出办得到的人，如果真的断绝了父子关系，那么，他将不仅仅失去一个父亲，而且将永远失去在大学求学的权利，也将永远离开他所热爱并决心献身的科学事业，更不要说个人的幸福和前途。冠兰沉思半晌，咬咬牙吐出几个字“让玉菡再等我20年吧。20年后我一定和她结婚。”他一口气说完，双眼闪烁着愤怒的火花。待苏老先生清醒过来，冠兰已冲出了校长室。苏凤麒临走前曾劝玉菡不要再恋着这个不孝的儿子，玉菡却执意要等20年。他采纳了查路德的建议，严格监视冠兰，一旦发现他另有所爱，立即不惜一切代价扑灭他的幻想，使他死心。冠兰让琼姐把信寄到他的同室好友朱尔同家里。琼姐的父亲丁宏在国外认识了周恩来，在他的影响下写了许多进步乐曲，后因掩护同志而被关进龙华监狱，后被杀害。周恩来经常过问洁琼的生活和学习，并建议由党的经费中抽出一笔钱作为洁琼的生括费和学费。冠兰和琼姐的恋情已有五年，却一直没能见上琼姐一面。大学最后一年的暑假，校长破例让冠兰和尔同去泰山旅游，冠兰兴奋地给琼姐写信告知他即将获得自由，毕业后一同出国留学。
琼姐给他汇来路费，约好在颐和园门口相会。没想到信件被查路德校长发现，查到了琼姐的所有情况。冠兰后来虽然看到了玉菡偷偷托人转来的信件，但已经为时过晚，琼姐失望地在颐和园门口等了三天，便回南京参加留学联考了。琼姐因病没有考完全部学科却意外地被录取为美国加利福尼亚理工学院的留学生。而冠兰的成绩很优秀，却被留在学校任校长助理。这一切，都是他父亲和查路德在幕后一手操纵的，意在让这对恋人远远分开。冠兰和远在大洋彼岸的琼姐仍然保持书信往来。当冠兰得知琼姐已经考取了物理学博士的学位，他将一份珍贵的礼物寄给了心爱的人。琼姐望着冠兰赠她的“彗星”钻石指环，热泪夺眶而出。抗战时期，琼姐多次从生活上资助冠兰，并催促他尽快赴美。但冠兰因秘密帮助共产党配制药品，几次放弃了出去的机会。1944年夏天，琼姐参与制造的原子弹试验成功，可她万万没有想到会被投放到居民集中的广岛和长崎。女科学家愤怒了，她在记者招待会上反对美国政府实行核垄断的企图，反对研制和使用原子弹。她的声明得到了正义人士的支持，一直深爱着洁琼的奥姆霍斯博士致电表示坚决支持。从此以后，丁洁琼和奥姆霍斯在科学界和公众眼前消失了，他们被关进了一座秘密监狱。冠兰拍了十几份电报都没回音。他要求赴美，却被查尔斯，即原来的校长查路德阻挡。他父亲还编造琼姐已和奥姆霍斯结婚的谎言欺骗冠兰，企图迫使冠兰就范。冠兰在痛苦孤寂之中，将全副精力投注到科研事业中。解放后，冠兰和玉菡同在一个研究所从事重要的科研工作，在一次特务破坏中，玉菡为了保护冠兰，用自己的身体挡住射向他的子弹。伤好后，在鲁宁夫妇的帮助下，冠兰和玉菡结婚了，这时他们两人都已40岁出头，鬓发过早苍白。“相依为命”是这对夫妇的真实写照，但冠兰内心仍然隐隐作痛。他后来从一些美国回来的科学家口中听说琼姐并没死，也没变心，他在琼姐最困难、最不幸的时候背弃了她！他觉得自己欠了琼姐一笔永远偿还不清的感情和道义上的巨债。正因为如此，每逢节日，当夜阑人静的时刻，冠兰总是独坐书房，无声地消磨掉一个个漫漫的不眠之夜。由国外回来第二天，他去参加首都科学界举办的欢迎海外科学家归国的会议，意外的发现周总理向大家介绍刚刚归国的女科学家正是他怀恋了30多年的琼姐。在休息厅里，两双手重新紧握在一起，在这对历尽苦难的恋人中间，他们的第二次握手，竟然整整经过了31年。琼姐看到冠兰因激动而昏倒，为了不影响他的情绪和健康，也为了摆脱感情的困扰，她决定离开北京，到边远地区去工作。周总理亲自去机场挽留她，让她留在北京发挥更大的能力，主持我国原子弹的研究与试验工作。苏冠兰和叶玉菡也赶到机场苦苦劝说琼姐不要离开北京。丁洁琼被周总理和冠兰夫妇的诚意关怀所打动，更为了祖国的科学事业能够有新的发展。她和冠兰等一批科学家共同努力，终于为祖国研制成功了第一颗原子弹。