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難事件に挑む刑事と天才物理学者の活躍を描く。深夜、閑静な住宅街で騒いでいた若者の頭が、突然炎上した。新米刑事・薫（柴咲コウ）は発火の原因が分からず、先輩の草薙（北村一輝）に相談。草薙から物理学者の湯川（福山雅治）を紹介される。薫は、不可解な現象を科学的に解析するという湯川に協力を依頼する。

殺人事件が発生し、薫（柴咲コウ）は容疑者・栗田（石井正則）の事情聴取を行った。だが、栗田は事件当時、川沿いに止めた車の中にいたと容疑を否定。アリバイを裏付ける証拠がない中、その車を幽体離脱した際に見たという小学生・忠広（今井悠貴）が現れる。話を聞いた湯川（福山雅治）は、幽体離脱に興味を持つ。

湯川（福山雅治）から「相談がある」と意味深なメールを受けた薫（柴咲コウ）。湯川の大学へ行ってみると、学生・村瀬（林剛史）の姉・弥生（広末涼子）から「行方不明の夫を捜してほしい」と捜査依頼をされる。非番の薫はゴネるが、湯川に「いつも協力してる。今回は君の番だ」とクールに無理強いされて、仕方なく捜査に乗り出すことに。弥生は“介護用品メーカーに勤める夫が老人・ヒデの自宅を訪ねた日に失踪したこと”“ヒデの自宅には不審な男女が住み着いていること”を薫に話し、「夫は死んでいるのかも…」と涙を流した。事件の可能性を感じた薫がヒデ宅を調べ始めると、突然、家具が揺れ始め、家全体がきしみ始める。これは弥生の夫の霊によるポルターガイストなのか、それともトリックか。新米刑事・薫が挑む難事件。

薫（柴咲コウ）は、女子大生が自宅のプールで死亡した事件の捜査に着手。死因は心臓まひだったが、左胸に不自然なあざが残り、その部分の皮膚だけが腐っていたと判明。不審に思った薫は、湯川（福山雅治）に協力を求めるが専門外だと拒否される。その後、皮膚の研究をしている学生・田上（香取慎吾）に出会い相談する。

ホテルの一室で、39歳の矢島（岡本光太郎）が絞殺と見られる死体で発見された。だが、事件当日、部屋に被害者以外の出入りはなく、凶器も見つからない。そんな折、犯行時刻に火の玉を見たという証言が。湯川（福山雅治）は火の玉の存在を否定。しかし、矢島の娘・秋穂（大後寿々花）も事件前日、火の玉を見たと話す。

薫（柴咲コウ）の幼なじみで占い師の坂木（新井浩文）が、女子高生・礼美（堀北真希）の部屋に不法侵入を。家族が気付いて暴行は未遂で済んだが、坂木は逃走。行方を追う薫は、坂木が小学校の卒業文集に当時生まれてもいない礼美の名を記していたことを思い出す。事件を聞いた湯川（福山雅治）は、予知のような事件に興味を持つ。

湯川（福山雅治）の助手・栗林（渡辺いっけい）の友人・菅原（塚地武雅）が自宅から、向かいの部屋に住む愛人の自殺を目撃。栗林は菅原から、事件の1週間前もその部屋で同じ光景を見たと聞き、湯川に相談する。興味を持った湯川は薫（柴咲コウ）に協力を仰ぎ、事件当時、菅原と同じ部屋にいた元妻・静子（深田恭子）に話を聞く。

料理研究家・美鈴が惨殺された。警察は、現場の窓から転落死していた男によるストーカー殺人と断定する。しかし、美鈴の自宅にいた妹・千晶（釈由美子）が、犯行時刻に美鈴を目撃したと証言。現場と美鈴の自宅には30kmの距離があった。薫（柴咲コウ）は千晶の証言が気になり、湯川（福山雅治）に協力を仰ぐ。

池で発見された金属製のマスクが、行方不明の息子に似ているという女性が出現。捜査の結果、池の底から会社員・藤川（坂本真）の遺体が。薫（柴咲コウ）は、金属板でリアルな顔がかたどられた経緯を湯川（福山雅治）に相談。その後、藤川の大学時代の恩師・木島（久米宏）の名を聞いた湯川の表情が一変。薫は不審に思う。

湯川（福山雅治）は草薙（北村一輝）から、藤川（坂本真）の同僚が不審な爆発事故で死亡したと聞く。湯川は大学の恩師で、藤川らの上司・木島（久米宏）の元へ。一方、薫（柴咲コウ）は栗林（渡辺いっけい）に、かつて湯川が木島の研究の危険性を告発し、大学から追放したと聞く。薫は湯川を事件に巻き込んだことを悔やむ。

新興宗教団体「クアイの会」の信者が、雑居ビルの5階から転落死する事件が発生。クアイの会の教祖・連崎（大沢たかお）は、警察に「自分がその信者に念を送った」と言い出す。事件を捜査する貝塚北署の刑事・内海薫（柴咲コウ）は、新人の岸谷美砂（吉高由里子）を連れて帝都大学の准教授・湯川学（福山雅治）の研究室を訪ねる。

一人暮らしの老婦人が自宅で殺害される事件が発生。女子高校生・加奈子（川口春奈）は、祖母からもらった“水晶の振り子”に導かれ、婦人の飼い犬の死骸を発見する。加奈子の行為を「ダウジング」と推察した湯川（福山雅治）は興味を示し、加奈子が犬の死骸を見つけた時と同じ道をたどることで、水晶の力の正体に迫ろうとする。

会社社長・早見（近江谷太朗）が不審な死を遂げた事件を捜査する美砂（吉高由里子）は、早見の勤務先を訪問。そこで美沙は、社員の加山（宮本大誠）から突然襲われてしまう。取り調べで加山は、早見が死んだ翌日から以前亡くなった冴子（陽月華）の声が聞こえ始めたと証言。湯川（福山雅治）は人間を死に追い込む“声”の謎に挑む。

プロ野球を戦力外となった柳沢（田辺誠一）が、練習パートナーの宗田（古田敦也）と湯川（福山雅治）を訪ねてくる。湯川は柳沢の復活に向けて協力するが、同じ頃柳沢の妻・妙子（中田有紀）が火災で亡くなってしまう。妻の死に伴う心理的な影響が柳沢の復活を妨げていると考えた湯川は、美砂（吉高由里子）の捜査に協力することに。

アンティークショップを経営する磯谷若菜（桐谷美玲）が、自宅で何者かに頭を殴られ昏睡状態に。彼女の双子の妹・春菜（桐谷美玲・2役）は、姉の身の危険を察知し若菜の夫・知宏（桐谷健太）に連絡していた。取り調べで春菜は、長野在住にも関わらず春菜を襲った犯人の顔を見たと証言。それを聞いた湯川（福山雅治）は興味を抱く。

有名企業の主任研究者・祐子（夏川結衣）が主催する山歩きのイベントで、参加者の真希（遊井亮子）が亡くなる事件が発生。地元警察は現場の状況から自殺と判断するが、イベントに参加していた美沙（吉高由里子）は祐子を疑っていた。美砂の語る「科学的な理由」に興味を抱いた湯川（福山雅治）は、事件現場のペンションを訪れる。

学会に出席した湯川（福山雅治）たちは、その帰り道、御座位神社にある「烏天狗のミイラ」を見に行くことに。だが、奉られていたほこらは「烏天狗がミイラを取り返しにくる」という理由から、神主がコンクリートで固めてしまっていた。その神主は2週間前に白骨死体で見つかっており、湯川は一連の事件を調べ始める。

人気劇団の代表・駒田（丸山智己）が刺殺される事件が発生。駒田は死の直前、劇団の看板女優・敦子（蒼井優）と衣裳係の由美子（佐藤仁美）に電話しており、異変を感じた二人はマンションを訪れ遺体を発見したのだった。美砂（吉高由里子）が捜査に息詰まる中、湯川（福山雅治）は敦子がある方法でアリバイを作れることを明かす。

貝塚北署と湯川（福山雅治）の研究室に、「悪魔の手」を名乗る人物から犯行予告が届く。悪魔の手で人を自在に葬ることができると語る犯人は、警察と湯川を挑発。ほどなく届いた新たな手紙には、最初の手紙が届いた日に死亡した上田重之（岡本正仁）を転落死させたと記されていた。湯川は犯人の用いた殺害方法を考えていく。

会社社長・真柴（堀部圭亮）が自宅で作業中、何者かに毒殺される事件が発生。真柴はその日外出をしておらず、犯人は真柴自身が入れたコーヒーに毒物を仕込み殺害していたのだった。そんな中、美砂（吉高由里子）は湯川（福山雅治）に、真柴の妻が湯川の中学時代のクラスメート・綾音（天海祐希）であると明かす。

事件を通じて中学時代の同級生・綾音（天海祐希）と再会した湯川（福山雅治）は、綾音が何者かに自転車で衝突され流産していたことを知る。そんな中、湯川は美砂（吉高由里子）に対し、綾音が何らかの方法で事前に毒物を仕込んでいた可能性を指摘。だが、美砂はそれを否定し、勝手に綾音に接触しないよう湯川に釘をさす。