三年前的一天深夜，某海岛小屋发生了一起密室杀人案。被害人在反锁的屋内被锐物刺穿胸背，所在小屋亦被烧毁。已为警察的草薙俊平（北村一辉 饰）回到母校帝都大学，邀请12年不见的老同学汤川学 （福山雅治 饰）协助破案。汤川学一行来到案发现场附近，一边享受海滩风光一边寻找案件线索。随着杀人案侦破工作的推进，只为还原案件物理原理的汤川学逐步逼近着案件的真相，只是此时的他尚未意识到，人心亦是一门科学。片中亦穿插了一段汤川学与草薙俊平的往事。在海风的吹拂下，草薙俊平向汤川学的学生塩野谷（长泽雅美 饰）讲述了一起令他与年少汤川学（三浦春马 饰）在大二结缘的案件……

《神探伽利略XX内海薰最后的案件》讲述了九个月前，正值而立之年的内海薰（柴崎幸 饰）突然接到远赴美国俄克拉何马州研修的通知，情知自己正成为警界可有可无之人，薰在焦虑烦恼的同时也暗下决心要干出一番业绩。就在此时，机会从天而降。在街上执行任务时她偶然发现一名看护师用轮椅推着早已死亡的老人，进一步调查发现看护师上念研一（中山裕介 饰）竟是长野县通缉的在逃犯。在薰的面前，上念供诉了杀害主家女儿的经过。风光...