Военный драматизм разворачивается вокруг Ани Петровой — бывшей лётчицы, ставшей инженером. Вместе с молчаливым майором Зотовым она испытывает самолёт «Кречет», призванный изменить ход войны, одновременно заботясь о мальчике по имени Коля.

Аня скрывает травму и мечтает отомстить за гибель возлюбленного, сбитого таинственным «Чёрным мессером». Но истинная опасность ближе, чем кажется — каждый вылет становится борьбой между памятью, чувством долга и надеждой вновь подняться в небо.

«Атом» погружает нас в 1943 год, когда, несмотря на войну, внутри страны кипела научная работа. Исследователи совершали открытия, а руководство стремилось применить их для стратегических целей. Всеволод Замятин получает задание: собрать группу учёных для разработки первой атомной бомбы. Так начинается работа секретной лаборатории.

В центре событий — Курчатов, возглавляющий команду. Он настаивает на привлечении талантливого, но непокорного физика Фролова и радиохимика Карповой, ранее отправленной в изгнание. Несмотря на сопротивление начальства, их доставляют в лабораторию. Благодаря усилиям агента Лазаревой, группа получает важные данные о зарубежном проекте. Теперь перед ними стоит задача: опередить Великобританию и США, используя эти сведения, чтобы создать мощное оружие и изменить ход истории.