1956年，一批年轻的中国学生被公派留苏，学习飞机设计。其中，沈岩的父亲是工程师，郝一梅是军长的女儿，梁卫国则是工人家庭出身。这些青年人为了共同的理想走到一起，结为好友。
苏联女生瓦丽娅的父亲是个苏联红军，曾来中国，参加过解放满洲里战役，瓦丽娅一家对中国感情深厚，她和沈岩在共同的学习生活中，建立了真挚的友谊和美好的爱情。
大家毕业后，回到祖国，瓦丽娅也随导师什克洛夫斯基作为苏联专家来到中国，帮助进行社会主义建设，她和沈岩的情感与日俱增，两人在中秋节举行了婚礼。这即是中国传统节日，又是新中国成立十周年的纪念日，也是苏联十月革命的胜利日。
一年后，在苏联专家的帮助下，沈岩等人设计的飞机，飞上了蓝天，他和瓦丽娅的儿子小航也出生了。
瓦丽娅来中国后，每天紧张工作，一直没能回家看望父母。好不容易等到一次机会，瓦丽娅可以回到苏联了。沈岩一家人难舍难分，他们谁也没想到，这一别就是24年！
瓦丽娅走后不久，苏联突然单方面宣布撤回专家，她无法再回到中国。此时，瓦丽娅的父亲病重，很快就离开了人世。爸爸离世带来的心痛，对沈岩和小航的思念，让瓦丽娅陷在无法自拔的苦楚之中。
沈岩根本不知道妻子在苏联的情况，还在苦苦等待。他坚持给瓦丽娅写信，但都石沉大海。同时，他又寻找各种途径想得知妻子的现状，可历经波折，仍然杳无音讯。六年过去，依旧没有任何消息。郝一梅一直非常喜欢沈岩，顶着流言蜚语，默默照顾他，吃了很多苦，受了无数委屈，沈岩非常感动，但他心里始终牵挂着瓦丽娅。终于有一天，沈岩通被告知瓦丽娅已经和别人结婚，建立了新的家庭，沈岩受到巨大打击。
沈岩的儿子小航是个混血，常受人欺负，郝一梅总是保护他不受伤害，小航想妈妈想得非常苦，郝一梅冒充瓦丽娅给他写信，安慰他的心灵，沈岩终于被郝一梅打动，接受了她的爱情，两人结婚了。婚后，沈岩去大兴安岭劳动，夫妻两地分居，郝一梅含辛茹苦，将小航带大。沈岩心里始终没有放弃飞机设计，一边劳动，一边悄悄搞研究，希望有机会再为祖国的航天事业贡献自己的力量。
艰苦的日子终于过去，粉碎了四人帮，大家回到原来的工作岗位，孩子们也都长大成人，中国恢复了高考，开始改革开放，生活有了天翻地覆的变化。但中苏关系还没有解冻，沈岩和瓦丽娅依然联系不上。其实瓦丽娅并没结婚，她还是一个人孤独地生活，等着和沈岩团圆的那一天。
小航无时无刻不想着寻找自己的生母瓦丽娅。经过他努力的学习，他能够去苏联留学。小航希望借此机会完成自己的心愿。临行前，沈岩交代小航回国前要去祭奠自己未曾见面的外祖父，命运之神恰恰在这一刻眷顾了这对母子——小航遇到了同来祭拜自己父亲的生母瓦丽娅，母子二人阔别二十多年后再次相逢，抱头痛哭。
然而，父亲再婚，母亲未嫁的局面让小航左右为难。备受煎熬的小航在郝一梅的逼问下将真相告诉了沈岩，沈岩悲痛万分。沈岩和郝一梅来到苏联，准备领取年度奖项。另一方面，就是让沈岩与思念的爱人瓦丽娅再会。当沈岩来到奥列格家企图见到瓦丽娅时，面对的只是奥列格的指责。小航告诉瓦丽娅，爸爸和郝妈妈这些年来所承受的磨难，瓦丽娅潸然泪下。郝一梅主动敲开瓦丽娅的家门，与瓦丽娅促膝长谈，化解了三人之间的误会。
莫斯科大学的广场上，回首三十年来的艰辛坎坷，四人感慨万千。小航决定留在妈妈的身边，陪伴瓦丽娅度过余生。而沈岩与郝一梅回到了中国，重新开始自己的生活。
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