时隔六年，2007年风靡日本的《神探伽利略》以续作之姿重磅回归！本剧延续并收录了东野圭吾原作中《伽利略的苦恼》、《圣女的救济》、《虚像丑角》与《禁断魔术》等经典推理篇章，备受瞩目的最新组合再次启程。因过去几年频繁处理离奇案件，贝冢北署女警内海薰（柴崎幸 饰）被上层派往美国某治安混乱的城市研修一年。经刑警草薙（北村一辉 饰）推荐，毕业于帝都大学法学系的美女高材生岸谷美砂（吉高由里子 饰）调来接替其位置。美砂正义感爆棚，虽是毫无功绩的新人，却极度自信且言辞刻薄，性格高傲得令常人难以接近。适值此时，新兴宗教团体“苦爱会”教主连崎至光（大泽隆夫 饰）涉嫌“念力杀人”的诡异案件发生，促使美砂不得不前往帝都大学，向物理学教授汤川学（福山雅治 饰）求助。这位外表俊朗、思维异于常人的物理怪才人称“神探伽利略”，他坚信“万事皆有因”，再度大展身手，圆满揭开了离奇案件背后的科学秘密。尽管美砂对汤川冷淡孤傲的态度颇为不满，但在接下来接踵而至的一系列怪奇案件中，命运的羁绊仍将这个高傲的女孩与神探伽利略紧紧拴在一起。全新的搭档组合，能否在不断的碰撞中培养出破案的默契，揭开一宗宗难解的离奇谜团？本剧根据著名推理小说家东野圭吾的同名原作改编。