В разгар Великой Отечественной войны, на фоне героической обороны Сталинграда, Виктор Штрум, талантливый физик-ядерщик, становится ключевой фигурой в секретном проекте по созданию атомной бомбы. Переживая личную трагедию из-за потери близких, погибших в гитлеровских лагерях и застенках НКВД, и под давлением начавшихся на него гонений, Штрум оказывается перед жизненно важным выбором. Его научные достижения привлекают внимание Сталина, который видит в атомной бомбе шанс обеспечить победу в войне. Виктору нужно решить: продолжать ли свою работу, рискуя всем ради науки и возможной победы, или отвергнуть свое призвание, что равносильно смертному приговору.
Сериал снят по мотивам романа Василия Гроссмана «Жизнь и судьба».
Для достоверного воссоздания событий переломного 1943 года выстроены беспрецедентные художественные декорации фрагментов улиц Сталинграда, мест ожесточенных боев, созданы диорамы сражений, макеты зданий и военной техники, задействовано большое количество игрового ретро-транспорта, специальных сценическо-постановочных средств.
Съёмки сериала проходили в Москве, Самаре, под Ярославлем, Рязанью и недалеко от Санкт-Петербурга. По словам режиссёра, в Москве снимали «бульвары в районе Чистых, несколько улиц в районе бывшей Хитровки. Нашли несколько зданий на Проспекте Мира, во дворе которых мы тоже снимали». В Самаре снимали деревянные здания, сохранившиеся с военных лет, а также самарскую филармонию. Под Ярославлем построили декорации Сталинграда.
По сведениям газеты «Гудок», в съёмках было задействовано 12 танков, а на экране их количество увеличили с помощью компьютерной графики. 15 самых квалифицированных пиротехников использовали 4,5 тысячи имитаторов взрывов, 55 тонн торфа, 54 тысячи холостых патронов, предоставленных Министерством обороны РФ.
Эдуард Володарский в интервью признался, что согласился написать сценарий, не читав до этого самого романа. При этом о Гроссмане он отозвался так: «Но в остальном, я тебе скажу, хотя моя фамилия и стоит в титрах, это действительно гнилой писатель. Писатель, не любящий страну, в которой он родился и жил». Володарский не дожил до премьеры «Жизни и судьбы» всего несколько дней.