«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.

В августе 1942 года Сталинград превратился в арену ожесточённых боёв. Бомбардировки не стихают ни на минуту, превращая транспортные узлы и коммуникации в руины. Напряжение нарастает: город кишит бандитскими группировками, а немецкие диверсанты плетут паутину интриг. Светлана Елагина и Егор Шилов прибывают для поддержки военной прокуратуры. Но их встреча омрачается трагедией — на их глазах взрыв уничтожает группу следователей.

Теперь стоит миссия вычислить загадочных диверсантов, которые словно читают их мысли, опережая на шаг. Они сталкиваются с чередой сложнейших преступлений. Под подозрением оказывается даже сама Елагина. На войне предательство скрывается за каждым углом, а главный враг — среди своих. Каждое решение может стать последним, где правда растворяется в хаосе войны, а доверие рассыпается.