天才物理学家汤川学（福山雅治 饰）此次又受内海薰（柴崎幸 饰）所托，调查一件不可思议命案。受害人富樫慎二被发现死在河边，面目指纹尽毁。最大的嫌疑人是他的前妻花冈靖子（松雪泰子 饰），然而靖子却有着完美的不在场证明。一个人能够同一时间出现在不同地方吗？当汤川发现住在靖子隔壁的是当年的大学同学、同为天才的数学家石神哲哉（堤真一 饰）时引起兴趣。
毕业后因要照顾父母没有留校反而去高中教数学、一直生活得很落魄的石神每晚利用公用电话教靖子如何应对警察追查，靖子渐渐感到被束缚，但是由于给出的口供毫无可疑之处，警察决定放弃对靖子的调查，这时汤川却指出石神是关键人物。
案件的真相如何？世界上真有一个人同时出现在两个地方的事情吗？本片改编自日本人气推理小说家东野圭吾06年的直木奖获奖作品。

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。风光得意的薰在公众和同侪的注视下担当押送嫌犯的重任，谁知上念抵达长野后推翻了之前的供词，令内海陷入窘境。在此之后，他只得与新人当摩健斗（柳乐优弥 饰）联手调查，却意外探知到九年前的一起冤案。
内海薰最后的案件，朝向未知的方向推进……

正准备获得帝都大学的物理学教授的汤川学（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，女警内海薰（柴崎幸 饰）接手了一单离奇的人体自燃案件，毫无头绪却又急于破案的她在同事草薙俊平的介绍下，找到了汤川学。汤川学本来不想惹麻烦上身，后来经不起内海薰的纠缠，终于答应和她携手破案。在经过一系列取证后，汤川学运用他精深的物理学知识，终于揭破了罪犯的犯罪手法，帮助警方顺利破案。
一日，内海薰又接到了一起离奇的谋杀案子。小男孩忠广自称灵魂出窍看到了疑犯的汽车，若忠广所言属实，则疑犯的嫌疑能得以洗脱，然而警方又怎能将灵魂出窍当成证供？难道忠广在说谎？内海薰自然又找到了她的“明灯”——汤川学。汤川学经过现场取证，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，同时戳穿了所谓的“灵魂出窍”，最后真相大白。
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，一次次展现了智慧的力量。