В центре сюжета сериала «Атом», действие которого разворачивается в 2025 году, лежит драматическая история создания советского ядерного оружия. В 1942 году, в самый разгар Великой Отечественной войны, Лаврентий Берия ставит перед своим заместителем Всеволодом Замятиным секретную задачу: сформировать группу ведущих ученых для разработки первой атомной бомбы в СССР. Эта миссия кажется практически невыполнимой из-за военного времени и крайне сжатых сроков. Под руководством Игоря Курчатова в Москве начинает функционировать засекреченная Лаборатория №2, куда собирают самых талантливых специалистов со всего Советского Союза. Курчатов настаивает на включении в проект двух неоднозначных фигур: амбициозного и самоуверенного Фролова, который ранее совершил открытие спонтанного деления ядра, и радиохимика Карповой, находящейся в ссылке в Казахстане. Несмотря на подозрения со стороны Наркомата внутренних дел в отношении этих ученых, просьбу Курчатова удовлетворяют. Параллельно с этим советская разведка активизирует усилия по добыче зарубежных научных данных. Агент Екатерина Лазарева, в прошлом физик и бывшая возлюбленная Фролова, успешно передает в СССР критически важную информацию об атомном проекте союзников. С этого момента Советскому Союзу предстоит гонка со временем, чтобы догнать Великобританию и США и обеспечить ядерный паритет в послевоенном мире.