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1956 年秋，药物研究所苏冠兰教授家，来了一位华侨打扮的不速之客。教授夫人玉菡热情迎接这位并不相识的女士，但苏教授不仅不愿与其见面，他的表现更是令人费解原来，这位不速之客是苏教授二十多年未见面的恋人一丁洁琼。
1928 年，苏冠兰在齐鲁大学读书，暑假去江南度假。在此期间，他奋不顾身地跳入海中，救起了落水的姑娘丁洁琼。两人相识、相知，渐生爱意。在南京火车站，他俩指手告别，并立下海誓山盟。
苏冠兰的父亲苏凤麒，执意让儿子与故友的女儿叶玉菡成婚。齐鲁大学校长、美国联邦调查局的特务查路德，劝苏凤麒用计让苏冠兰离开丁洁琼。迫于父亲的压力，苏冠兰只得以“二十年后结婚”为条件，签署了婚约。不料，叶玉菡竟然接受了这个条件。
为了摆脱父亲的束缚，苏冠兰准备与丁洁琼一起赴美留学。共产党员关山巍来到凌云竹教授家，他带来了丁洁琼父母为革命牺牲的噩耗，也带来了周恩来同志的嘱托。为了让苏冠兰为已所用，查路德从中作梗，阻止了他的出国计划。
只身赴美后，丁洁琼在美国学者奥姆霍斯的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，她被美监禁，从此中断了与苏冠兰的联系，苏冠兰也因故再次尝试赴美失败。此后，苏凤麒告诉了儿子，丁洁琼已与奥姆霍斯结婚。这一消息使苏冠兰痛苦万分。
国民党撤退前夕，美国特务企图拿走所有病毒资料和样品，并胁迫苏冠兰赴美。苏冠兰在共产党员鲁宁的帮助下挫败了敌人的阴谋，但叶玉菡却因掩护苏冠兰而受伤。在父亲去世后，苏冠兰与叶玉菡终于结为夫妻。而丁洁琼始终铭记与苏冠兰的誓言，拒绝了奥姆霍斯的求爱，辗转回到祖国。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，离开了苏家，决定到云南去搞科研工作。在周总理的关怀和科学界友人的劝慰中，在苏冠兰一家的热诚挽留下，丁洁琼终于抛开了个人的不幸，重新振作精神。经历了整整二十八年后，丁洁琼和苏冠兰第二次握起了手。
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