正准备获得帝都大学物理学教授头衔的汤川学（福山雅治 饰），是一名不折不扣的物理学怪才，思维异于常人。这日，新人女刑警内海薰（柴崎幸 饰）接手了一单离奇的人体自燃案件：深夜，一名在街上大声叫嚷的19岁不良少年突然自燃身亡，死状诡异。毫无头绪却又急于破案的她，在同事草薙俊平的介绍下，慕名找到了帝都大学人称“怪人伽利略”的汤川学。汤川学本不想惹麻烦上身，但经不起内海薰的软磨硬泡，终于答应与她携手破案。经过一系列缜密的现场取证与逻辑推理，汤川学运用精深的物理学知识，揭破了罪犯通过控制反射激光实施杀人的犯罪手法，不仅戳破了所谓“超自然现象”的伪装，更帮助警方顺利将真凶捉拿归案。一日，内海薰又接到了一起离奇的谋杀案。小男孩忠广自称“灵魂出窍”时看到了疑犯的汽车，若忠广所言属实，则疑犯的嫌疑便能得以洗脱。然而，警方又怎能将“灵魂出窍”当成呈堂证供？难道忠广在说谎？内海薰自然又找到了她的“明灯”——汤川学。汤川学亲自前往现场取证，以科学的视角证明了忠广的确看到了疑犯的汽车，由此为疑犯洗脱了嫌疑，同时一语道破了“灵魂出窍”背后的物理视觉错觉，让真相大白于天下。凶险棘手的案件在不断发生，而汤川学也周旋在这离奇古怪的迷局里面，一次次展现了理性与智慧的巨大力量。