由于过去几年屡次负责调查离奇案件，贝冢北署警察内海薰（柴崎幸 饰）被上级派往美国一座怪事频发的城市，进行为期一年的研修。经草薙（北村一辉 饰）推荐，毕业于帝都大学法学系的高才生岸谷美砂（吉高由里子 饰）调任贝冢北署，接替内海的职位。
美砂虽然是个毫无功绩的新人警察，却拥有强烈的正义感和过度的自信，说话尖锐刻薄，常常让周围的人难以招架。就在这时，新兴宗教团体苦爱会教主连崎至光（大泽隆夫 饰）涉嫌利用念力杀人的案件发生了。为了查明真相，美砂找上了帝都大学物理学教授汤川学（福山雅治 饰）。
始终坚信“万事皆有因”的汤川再次发挥出色，成功揭开案件背后的秘密。尽管美砂对汤川冷漠傲慢的态度颇为不满，但随着一桩桩离奇案件接连出现，这个高傲的新人警察还是与被称为“神探伽利略”的汤川紧密联系在了一起。全新的搭档就此再次踏上调查之路。本片改编自东野圭吾的原作。
