张天聪作为中国第一代航天员，刻苦训练、专业技术过硬，但仍然在神舟七号宇航员选拔中失利。面对昔日战友的转岗离去和自身年龄偏大等种种压力，张天聪没有放弃飞天梦想，毅然选择继续留在航天员大队，成为谢朝阳、王立三、周晓苏等新一代航天员的训练教官。
面对国际对于外太空资源抢夺形势的加剧，中国政府决心在太空建立永久性空间站，而宇航员正是这项任务的重要执行者。张天聪不仅是新一代航天员的教官，同时也是他们的竞争者。怀揣着“飞天”之梦的张天聪与所有航天员一起经历着种种常人所不能想象的训练。为了进行失重训练，航天员们远赴俄罗斯加加林航天中心，出色的训练成绩赢得了俄罗斯、美国等同行们的尊重。
在长达数年的训练中，张天聪的执著和顽强感动了身边所有人。尤其是女儿张思羽，放弃保送北京大学的机会，考入飞行学院，决心与父亲一样，成为一名航天员。
新一轮选拔来临，然而命运却再次和张天聪开起了玩笑。由于探望刚刚执行完抗洪抢险任务的女儿，张天聪患上了病毒性感冒，错失“飞天”的机会。
张天聪并没有陷在失败中，而是和王立三、周晓苏组成新团队，角逐登陆中国太空站的机会。一切已经准备就绪，问天一号飞船在发射塔就位。投票会议上，谢朝阳组因为年轻的优势获得了问天一号的飞天资格，张天聪组备份，执行问天二号增援任务。
问天一号飞船上天后，一切运转正常。突然，远处飞来的太空碎片击中了太阳能电池板，电力系统受损，飞船陷入了严重危机中。千钧一发之际，问天二号点火升空。张天聪凭借出色的技术很快修复了破损的电池板，问天一号恢复正常。太空中，空间站和连在一起的两艘飞船在太阳的照射下，现出夺人心魄的美丽…
