帝都大學(xué)理工學(xué)院物理學(xué)專業(yè)第十三研究室的準(zhǔn)教授湯川學(xué)（福山雅治飾），智商過(guò)人外表英俊，還有個(gè)“伽利略”的外號(hào)。他常受貝冢北署的刑警內(nèi)海薰（柴崎幸飾）之托，運(yùn)用科學(xué)理論解決各種看似超自然現(xiàn)象的疑案。 　　某天，貝冢北署管轄范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)一具男尸，這是一起殺人案件，被害者死亡時(shí)間被推定為12月2日下午6點(diǎn)到10點(diǎn)之間。搜查課的內(nèi)海，以及內(nèi)海的前輩弓削志郎（品川祐 飾），還有警視廳總署的草剃俊平（北村一輝 飾），三人一起負(fù)責(zé)調(diào)查這起案件。 　　被害者全身赤裸，未攜帶任何身份證明，指紋被燒毀，臉部遭受鈍器打擊而毀容。 　　經(jīng)過(guò)一系列調(diào)查，警方很快確認(rèn)了死者的身份——富樫慎二（ 長(zhǎng)冢圭史飾），39歲，失職中，家住川崎市幸區(qū)，無(wú)經(jīng)濟(jì)能力，連房租都支付不起，一個(gè)月前開始輾轉(zhuǎn)于多家簡(jiǎn)易旅館。死亡前，富樫在蒲田的扇屋旅館投宿，不久就帶著房間鑰匙失蹤了。警方在旅館的房間中，采集到頭發(fā)的DNA，并在尸體發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)不遠(yuǎn)處一輛被盜的自行車上收集到指紋，這兩樣?xùn)|西已被確認(rèn)屬于被害者富樫慎二。死者的死亡原因是頸部受壓迫窒息身亡，根據(jù)留在頸部的痕跡來(lái)看，兇器極有可能是取暖桌的電線。 　　在調(diào)查富樫隔個(gè)人檔案的過(guò)程中，警方發(fā)現(xiàn)他有一個(gè)前妻，名叫花岡靖子（松雪泰子 飾），內(nèi)海與草剃立即上門拜訪了她。靖子與女兒美里（金澤美穗 飾）一起住在江東區(qū)的一家公寓中。美里目前初中在讀，靖子曾在錦糸町做陪酒女郎，但現(xiàn)在在日本橋浜町開了一家便當(dāng)?shù)?。面?duì)警察，靖子稱完全不知前夫被害的事，同時(shí)她與女兒還有被害者死亡當(dāng)天的不在場(chǎng)證明。這時(shí)，住在花岡隔壁的石神哲哉（堤真一 飾）恰巧出門，與內(nèi)海他們打了個(gè)照面。內(nèi)海立即上前向他出示富樫的照片，并詢問(wèn)12月2日晚是否聽到隔壁花岡家中有異常的動(dòng)靜。石神一邊回答著，一邊取出信箱中的郵件。內(nèi)海看到那封郵件上清楚地印有“帝都大學(xué)”字樣，難道說(shuō)這個(gè)石神與湯川、草剃他們一樣，都是帝都大學(xué)的畢業(yè)生。 　　于是，內(nèi)海與草剃再度走訪了帝都大學(xué)的“伽利略”，希望能得到湯川的幫助。但是，湯川以“這個(gè)案件與科學(xué)理論沒有任何關(guān)系”而拒絕參與，不過(guò)，后來(lái)聽說(shuō)案件的嫌疑人之一靖子是個(gè)大美人之后，湯川開始對(duì)這個(gè)案子產(chǎn)生了興趣。在聽完內(nèi)海與草剃對(duì)靖子不在場(chǎng)證明的陳述后，湯川笑著說(shuō)“你們這次遇上相當(dāng)厲害的強(qiáng)敵了”，所以“要加油哦”！ 　　在內(nèi)海他們即將離開帝都大學(xué)的時(shí)候，草剃跟湯川提起了靖子的鄰居——石神哲哉的事，湯川的臉色立刻大變，“據(jù)我所知，石神是這個(gè)世界上真正的‘天才’”。 　　幾天后，湯川找到了石神，這是兩位帝都大學(xué)的天才時(shí)隔17年后再次相見。 　　二人坐在石神的公寓里喝著威士忌，談?wù)撝鵀楹问窀试冈谝凰胀ǜ咧凶鰯?shù)學(xué)老師，以及大學(xué)時(shí)代的兩人一起登山后發(fā)生的事等等。又過(guò)了幾天，湯川帶著從大學(xué)數(shù)學(xué)系借來(lái)的最新報(bào)告又來(lái)找石神，他希望石神能驗(yàn)證“報(bào)告中的推論是否是正確的”，石神回答“可能會(huì)花點(diǎn)時(shí)間”，便立即趴在桌子上演算了起來(lái)，坐在一旁的湯川看著埋頭于數(shù)學(xué)公式的石神，不知不覺地睡著了。 　　第二天早上，隔壁靖子上班時(shí)的關(guān)門聲，令湯川從睡夢(mèng)中醒了過(guò)來(lái)。石神呆看著靖子房間的方向?！斑€在演算嗎？”湯川說(shuō)了這樣一句，石神轉(zhuǎn)過(guò)頭來(lái)，開始論述自己的推論。湯川看著眼前的這個(gè)天才，露出“這我就放心”了的神情。這時(shí)，已經(jīng)到了石神上班的時(shí)間，湯川決定與石神一起走到學(xué)校，再自行回家。 　　一同走向車站的過(guò)程中，湯川從石神那里聽說(shuō)了一些關(guān)于靖子母女倆的事，“平時(shí)碰上了就打個(gè)招呼。每天早上我都會(huì)去她工作的便當(dāng)?shù)曩I便當(dāng)，大體上也就只有那個(gè)時(shí)候才會(huì)見面”，石神靜靜地形容他與鄰居之間的關(guān)系?！罢婵上О。墒莻€(gè)大美人啊，你說(shuō)對(duì)吧？”面對(duì)湯川的這個(gè)問(wèn)題，石神沉默不語(yǔ)。但是，倆人即將分別的時(shí)候，石神突然冒出一句：“真是羨慕你啊，現(xiàn)在看起來(lái)還是這么地年輕”。在湯川的印象中，石神是一個(gè)對(duì)數(shù)學(xué)以外的事沒有任何興趣的家伙，他為何會(huì)突然在意起自己的外表呢，湯川似乎感覺到了什么。 　　另一方面，警方將花岡靖子作為富樫案件的第一嫌疑人展開全面搜查，但是，他們?cè)诰缸油昝赖牟辉趫?chǎng)證明中，始終找不出任何疑點(diǎn)，富樫案件的搜查工作陷入了僵局……就在這時(shí)，湯川主動(dòng)聯(lián)系內(nèi)海，提出去案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)看一下的要求。另外，湯川還小聲告訴內(nèi)海他們，警方目前正被犯人兜著轉(zhuǎn)大圈，案件發(fā)生后所有的這一切都在犯人的掌控之中，但是，犯人為什么要這樣做，湯川還沒有理出頭緒。 　　面對(duì)靖子完美的不在場(chǎng)證明，湯川無(wú)法找出真相，就在他死心的時(shí)候，一件意外事情的發(fā)生，令整個(gè)謎團(tuán)出現(xiàn)了解決的可能性。然而，湯川越是接近真相，就越是感覺痛苦。與以往湯川協(xié)助內(nèi)海破案不同的是，湯川很想向內(nèi)海隱瞞案件的核心，因此他陷入了深深的苦惱中。 　　真正的犯人究竟是誰(shuí)？ 　　這個(gè)案件與湯川唯一承認(rèn)的天才石神有著很大關(guān)系嗎？當(dāng)湯川推理出整個(gè)案件的全貌時(shí)，他采取了怎樣的行動(dòng)呢？