동래현 관기의 아들 은복은 장 씨 문중 제사에서 고려 때 서운관 판사를 지냈던 아버지 장성휘를 처음 만나게 되고, '장영실'이란 이름을 받는다. 한편 한양에서는 태종이 왕위의 정당성을 보여주기 위해 일식 구식례에 만전을 기하는데...

태종은 일식 구식례의 실패로 서운관을 믿지 못하게 되고, 유택상 대신 장성휘가 예측한 날에 맞춰 월식 구식례를 준비한다. 한편 관노로 일하면서도 천문현상을 관측하던 영실은, 달의 움직임에 이상함을 느끼고 장성휘의 예측을 의심하는데...

영실은 명나라에 가는 배를 타기 위해 혼상 제작에 몰두한다. 한양에서는 성인이 된 충녕이 서운관에서 해에 대한 이야기를 하고, 이를 곡해한 대신들 때문에 아버지 태종과의 갈등은 점점 깊어져만 가는데...

장성휘의 도움을 받아 가까스로 혼상을 만드는 데 성공한 영실은, 명나라로 떠나기 전 김학주에게 복수할 계획을 세운다. 한편 한양에서는 천문석각에 비밀이 있다는 괘서가 나붙고, 조정은 일대 혼란에 빠지는데...

천문석각의 비밀을 알아냈다는 서운관 관원이 의문의 죽음을 당하자, 충녕은 직접 나서 사건을 조사한다. 한편 한양에 올라온 영실도 이천의 부탁으로 천문석각을 새긴 석공을 찾아 나서는데...

천문석강 장인을 찾다가 위험에 처한 충녕은 영실의 도움으로 목숨을 건지고, 석각의 비밀에 대해 듣게 된다. 이천의 소개로 소현옹주와 재회한 영실은 옹주의 집에서 천문석각과 관련된 또 다른 단서를 발견하는데...