Молодой физик-ядерщик Дмитрий Гусев (Алексей Баталов) проводит эксперимент, результатом которого должно стать открытие мощного источника энергии. Эта работа была начата учителем Гусева, получившим смертельную дозу радиации и не сумевшим ее завершить.
Понимая важность эксперимента, молодой ученый продолжает дело учителя. Он отдает опытам всего себя, пожертвовав дружбой с коллегой-теоретиком Ильей Куликовым (Иннокентий Смоктуновский), поставив под удар отношения с любимой девушкой Лелей (Татьяна Лаврова). Оказавшись, как и учитель, облучен, Гусев скрывает свое состояние от близких, надеясь получить скорый результат…
Роли двух друзей, одержимого экспериментатора Гусева и скептически настроенного теоретика Куликова, должны были играть Алексей Баталов и Юрий Яковлев. Однако попавшего в больницу Яковлева перед самыми съемками пришлось заменить Иннокентием Смоктуновским. Роль Лели, в которую влюблены оба друга, Михаил Ромм доверил молодой актрисе театра «Современник» Татьяне Лавровой.
Среди международных наград ленты премия «Хрустальный глобус» на кинофестивале в Карловых Варах и почетные дипломы международных фестивалей в Мельбурне и Сан-Франциско. По опросу журнала «Советский экран», фильм стал лучшим фильмом 1962 года, а Алексей Баталов - лучшим актером.