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杜心生和俞佩佩是同学，两个人感情深厚。俞佩佩的外婆何音是音乐学院的教授被红卫兵当成反动学术者给揪出来，经常被拉去批斗。杜心生和弟弟杜心根对俞佩佩十分关爱。为保护俞佩佩家里的那把珍贵的意大利大提琴不被红卫兵抄走。杜心生去找在海关钟楼工作的父亲帮忙，杜父将大提琴藏在钟楼里面。梧桐里迎来知青上山下乡的高潮，大妹妹杜心芳决意报名去安徽泾县插队，老虎灶爷爷收养的孙子阿大是独子不用下乡，但为了心芳，他也准备离开。胖嫂送走了大女儿曼娟，她要远赴云南。杜父因病去世，杜心生顶替父亲成了海关大钟的守钟人。这样他就不用下乡了。苗师傅带领着这个徒弟每天维护大钟，讲解海关大钟的来历以及大钟的各个部件的构造和原理。心生每天和大钟为伍，深深地爱上大钟，擦拭大钟，维护大钟，以致到了痴迷的地步。心芳和阿大在农村劳作，相爱，偷尝禁果。心生接到泾县的电报，立即赶去乡下。原来心芳怀孕了，阿大因流氓罪被发配到原始森林去当护林员了。心生把妹妹带回了上海。毛阿大向心生发誓，争取好好表现早日回上海与心芳团圆。回到梧桐里的心芳因为未婚先孕遭到邻里议论。毛阿大在林中遭遇盗林匪徒不幸遇害。全家都瞒着心芳，心芳得知真相后绝食，在家人的安慰下决心平安生下孩子。心芳难产身亡，生下个女儿取名安安。杜家人陷入悲伤。杜心生一直为妹妹的命运自责，她是顶替自己才下乡的。心生收养了安安当成亲生女儿来照顾。
俞灏明饰杜心生
简介杜家大儿子，家中老大，接替父亲成为外滩钟楼的护钟人
吴谨言饰杜心美
简介杜家小女儿，杜心生妹妹，聪明善良很有经商头脑
陈瑾饰杜母
简介杜家母亲，善良勤劳，含辛茹苦把四个儿女拉扯大
陈洁饰苗招娣
简介杜心生师傅的女儿，后嫁给杜心生
牛犇饰老虎灶爷爷
简介弄堂烧老虎灶的老头，和蔼慈祥
代旭饰杜心根
简介杜家老三，杜心生弟弟，杜心美二哥
演员俞灏明
杜家长子。杜家是外滩后街的一户普通工人之家，父亲杜师傅是外滩钟楼的维修工人。杜心生十七岁时在桂花巷遇到音乐教师之女俞佩佩，两人互相吸引，但被杜母以家庭成分不好为由分开。多年后，杜心生娶了师傅的女儿苗招娣，并收养了妹妹杜心芳的女儿安安。
演员吴谨言
杜家幺女。心灵手巧，是弄堂里的裁缝，与哥哥杜心生一生坚守海关大钟不同，她志存高远，在改革开放的时代浪潮中，凭借不怕苦、不怕输的毅力，步步进阶，实现了人生价值。
演员陈瑾
杜家母亲，丈夫死后照顾四个儿女长大，反对杜心生与成分不好的俞佩佩来往。
演员陈洁
杜心生师傅的女儿，后嫁给杜心生。大大咧咧，不拘小节，苗招娣明知心生不喜欢自己，还是为自己创造各种机会。
演员代旭
杜家老幺，从小调皮捣蛋，在家人的爱护下无拘无束的成长。长大后不谙世事的心根励志要在改革中做一个有出息的人，凭借勇往直前、敢想敢为的精神，在家人的帮助和鼓励下，历经无数挫败后的杜心根最终明确了自己的奋斗方向。
演员牛犇
堂里烧老虎灶的小老头，年岁最长，每天给街坊们烧水、送水，不亦乐乎。他在梧桐里烧了五十年的老虎灶，奉献了自己微不足道的一生。
为还原剧中的生活感和时代感，导演管虎还邀请了自己的母亲客串出演剧中角色。
为呈现剧中的年代感，剧组自费搭建了情人桥等场景道具。
吴谨言通过二十世纪六七十年的影像资料来揣摩剧中人物的状态和情感，还会跟陈谨等演员一起探讨。
《外滩钟声》里面有爱情、亲情和时代冷暖。在置景和造型上，该剧对20世纪60年代到90年代的还原做得不错，黑白电视机等一些老物件引发观众回忆。（《广州日报》评）