1956年秋，药物研究所苏冠兰教授家，来了一个华侨打扮的不速女客。教授夫人叶玉菡热情迎接这位不相识的客人；但苏教授却显得又惊愕又痛苦。来客望了望两位主人，什么也没有讲，就匆匆离去。原来，早在1928年，苏冠兰在齐鲁大学读书，暑假去江南度假。一次，他奋不顾身地跳江救了一个落水的姑娘丁洁琼。科学救国的共同志向使他俩产生了爱情。在南京火车站，他俩握手告别，并立下海誓山盟。苏冠兰的父亲苏凤琪，执意迫使儿子与故友的女儿叶玉菡成婚，苏冠兰无奈，只得以"20年后结婚"为借口推迟婚期，不料叶玉菡竟然接受了这个条件。苏冠兰为了摆脱父亲的束缚，准备与丁洁琼一起赴美留学。谁料齐鲁大学校长、美国联邦调查局的特务查路德从中作梗，迫使丁洁琼只身赴美。丁在美国学者奥姆霍斯指导和帮助下获得了博士学位，后因反对美国在广岛使用原子弹，被美监禁，从此中断了与苏冠章的联系。这时，苏冠兰的父亲骗儿子说，丁洁琼已与奥姆霍斯结婚，使苏冠兰痛苦万分。在苏冠兰与美国特务搏斗时，叶玉菡用身子挡住了射向苏冠兰的子弹，苏冠兰深受感动，便与叶玉菡结为夫妻。丁洁琼始终铭记与苏冠兰的誓言，拒绝了奥姆霍斯对她的真诚爱情，毅然回到祖国。当她满怀希望地找到苏冠兰时，才知道苏冠兰已与叶玉菡结婚。丁洁琼怀着深深的痛苦，离开了苏冠兰的家，决定到遥远的边疆去搞科研工作。在周总理的关怀和科学界友人的劝慰中，在苏冠兰、叶玉菡热诚挽留下，丁洁琼抛开了个人的不幸，终于振作精神，第二次和他握起手来。