脑神经外科医生橘志帆(吉田羊 饰)是个不管什么困难手术都能成功的专家。某日，她在手术中出现了幻觉，于是决定放弃医生职业。但是，在恩师北畠昌幸(高桥克典 饰)的劝说下，她以不做手术为条件，来到昌幸任院长的东光大学医院解析诊断部但任诊断医生。

然而，在医院内部，很多医生对昌幸感到失望，觊觎院长宝座的岩仓叶子(伊藤兰 饰)和事务长佐佐木进也密谋推翻昌幸。上班第一天，志帆在去医院的途中碰见说肚子痛并吐血的幼儿园小朋友增山宏太。宏太被送到东光后，经检查发现他的胃里有钉子。

志帆麻利地向在场的实习医生绫香、急救医生里见蓝(白鸟久美子 饰)、外科医生雪野下达指示。因为事先未获知知志帆被分配到解析部，岩仓叶子大怒，向昌幸表示不满。处置结束后，病理医生结衣和神经内科医生夏海寻问宏太，但宏太什么也不说。

另一方面，志帆找到宏太的母亲、料理研究家美希，表示她怀疑宏太的病是受到虐待所致，故意激怒美希。绫香对志帆的做法颇为不解，向护士藤本修二、渡边弘发牢骚。志帆却满不在乎，指示绫香详细调查从宏太胃中取出来的钉子。

绫香请对她有好感的制药公司MR宫部航平帮忙，并按志帆指示监视住在病房中的宏太，却目睹了惊人的一幕。宏太的病名终于水落石出。然而，不久后，宏太的情况再度恶化，而且，这次连美希也发生了同样的症状。

备受注目的游泳选手南野和己秘密到东光大学医院进行检查。为全身倦怠、肌肉力量下降而烦恼的南野，被某家医院诊断为肌肉萎缩性侧索硬化症，虽然可以延迟这个简称为ALS的疾病的发展，但是并没有根本有效的治疗方法。

本来南野被认为能在四年后召开的东京奥运会上夺取金牌，这下子别说金牌，就连生命也有危险，南野只能求助于第二专家意见门诊。虽然叶子叮嘱过志帆不要多嘴，但是志帆注意到南野大量喝水的样子后，马上叫绫香去调查南野所在的练习设施的泳池。

雪野等试图寻找ALS以外的疾病的可能性，但是检查结果表明南野的确是ALS。这时，南野住院的事被媒体知悉，关于他生重病的传言马上流传开来。从南野的教练那里拿到时间表后，志帆对上面的数字很介意，叫绫香再现南野练习时的情形。

而且，她得知南野过去曾经在骑自行车时摔倒，头脑受过重击，便怀疑南野的病是由那时的外伤引起的。即使吉帆的设想是正确的，南野的病仍然可能无法用外科手术治疗，尽管如此，调查总算有了一线希望。就在此时，南野突然说自己全身疼痛。

万圣节前夜，一群女高中生从卡拉OK店出来后一个接一个晕倒了，她们被送到志帆工作的东光大学医院急救。根据患者痉挛和呕吐的症状，医生判断是食物中毒，但是，不知何故，被送来的六人中只有叫冈田朋美的女孩完全没有那些症状。

另一方面，长濑理惠在救治过程中出现了风疹、呼吸困难。幸好雪野处置得当，才没有酿成大祸。由此，院方怀疑六人患的是其他疾病。解析诊断部的成员们开始调查食物中毒以外的传染病和药物中毒的可能性。第二天，志帆与唯一没有任何症状的女生朋美交谈，朋美恳求志帆帮助她们，这让志帆感到有些反常。

而除了理惠以外，其他四个女生怀疑这次的事件是朋美造成的。因为调查没有进展，志帆提出对入院后有呼吸困难症状的理惠进行Challenge test。她觉得理惠的病因也许是过敏性休克，让理惠再吃一次在卡拉OK店吃的东西，如果再出现相同的过敏反应，那么所有谜题就应刃而解了。

然而，志帆的提议遭到叶子和佐佐木的强烈反对。在昌幸斡旋下，志帆等人终于开始进行Challenge test。

某天，谋划让院长昌幸下台的叶子与医院理事们到料亭提前庆祝她就任院长。在那里，她提出看望因病隐退的大老板娘静香，却被现在的老板娘芽依婉言谢绝。另一方面，在上班路上，志帆碰到一个中年女性在道旁吃杂草。赶来找那个女性的芽依解释说，她患有早发性老年痴呆。

但是志帆注意到那个女性有行动障碍等症状，心生疑问。不久后，一个偶然的机会，解析诊断部到那位女性所在的老人院进行访问诊疗，志帆托绫香去看看她。原来，那位女性正是叶子想见的静香。根据周围人的反映，被诊断患有老年痴呆的静香以前与儿媳芽依关系很差，芽依似乎嫌弃她是累赘。

芽依拒绝志帆为静香做诊断，志帆向叶子求助，但被叶子回绝。实际上，芽依过去有一段与静香有关的痛苦回忆。尽管没有得准许，志帆还是秘密把静香从老人院带出来进行诊察。她怀疑静香有循环系统的疾病。还没等进一步调查，芽依就闯进来打了志帆。

虽然叶子也批评志帆只看到患者的病却不关心患者的人生，但是私下里叶子开始留心静香的症状。第二天早上，志帆找到了静香举止颠狂的真正原因，想把再次静香带走。芽依发现后报警，志帆被随后赶来的警察带走了。

对志帆的过去很好奇的雪野，与高杉一起造访志帆以前工作过的医院，但没有什么收获，反而让她觉得志帆身上的谜团又加重了。得知雪野的行动的昌幸露出了危险的表情。某日，从公园展望台摔下来的建筑师 奥山贤太郎被送到解析诊断部。

目击证人说他是自杀，但是正期待着将在下个月降生的孩子的奥山，断然否认自己是自杀。但是他却无法解释为什么无视“施工禁止入内”的指示牌走进了危险的地方。志帆发现奥山的早餐只剩下左边的一半，便让奥山画画。结果，他只完成了右半部分的图画。

志帆判断他是因为脑梗塞导致看不到左侧的事物，而且他本人并没有意识到这一点。数天后，奥山开始用左手投掷周围的东西。护士藤本和渡边要阻止却办不到，奥山则非常惊恐。他这种自己无法控制手的动作的症状叫作“别人的手症候群”，检查结果显示造成这种情况的原因也是脑梗塞。

奥山的妻子由美子说他最近有时连智能手机的使用方法也想不起来。志帆觉得这恐怕也是脑梗塞造成的。解析诊断部开始探查造成奥连续发生脑梗塞的原因。就在这时，奥山的病情又发生急剧变化。

雪野目睹了志帆与看不到的对手对话的样子，她想不出志帆做出这种行为的理由是什么。昌幸对雪野说无论谁都会有一两件不想被人知道的往事。受此言触动，雪野回想起一年前自己发生过的事。这时，当地选出的国会议员北村英一郎的妻子诗织因急性心功能不全被送到医院。

一年前正是由于诗织的缘故雪野才被迫离开心脏血管外科。当时，雪野和高杉为她做了手术，但是没能改善症状，北村英一郎认为妻子不能痊愈的原因是雪野手术失败。主刀医生雪野坚持手术是成功的。但是，最终院方判决手术失败，需要对此负责的雪野被调到解析诊断部。

经过急救，诗织总算保住性命，她被交给解析诊断部诊断病因。雪野一心想借机为自己洗清污名，对志帆等人的劝告置若罔闻。另一方面，志帆注意到诗织刚一碰触到放有热水的杯子时的反应有些古怪。正在此时，因为雪野处置的问题，诗织发生了急性呼吸不全的症状。

北村英一郎大怒，指责雪野的行为与杀人无异。雪野深受打击。由于此事，叶子决定今后的治疗都将雪野排除在外。志帆表达了反对意见，认为应该雪野应该和大家一起重新进行诊断。她的话给了雪野勇气。雪野重新下定了决心，只要能挽救病人，她什么都愿意做。

雪野询问志帆其看到幻觉一事，而志帆却说自己不会因此给别人添麻烦，似乎并不介意经常看到女儿的幻象。另一方面，在叶子出镜的节目拍摄过程中，大牌演员堂岛谦三突然昏倒。堂岛告诉医生他的右腕疼痛，经过诊察，他的右腕的确发红，而且随着时间的推移，红肿的面积不断扩大。

叶子听说堂岛前几天在废墟拍外景，疑心他是被某种细菌感染了。如果真是如此，就必须在症状发作的24小时内切除患病部位，否则有性命之忧。然而，堂岛说有片约在身，拒绝治疗。因为不能确定病因，再加上他对一部分药剂过敏，所以加重了治疗的难度。

绫香联络不上正在休假的志帆，一时间手足无措。就在此时，叶子采取了让人意外的行动。她像志帆平时一样，拜托绫香进行调查以找出病因。绫香很快和宫部一起去了堂岛曾拍过外景的废墟。在那里，他们碰到一个叫健太的少年。

据他说，堂岛用过某眼水井。绫香找到水井，试着汲水，却发现不知何故井水是温的。

被视希望之星的天才少女钢琴家藤原光在出场比赛时突然失去意识，发全身痉挛，被送到医院。因为无法判断病名，她被送到解析诊断部。看到藤原光，志帆觉得和她似曾相识，但想不起在哪里见过。第二天，志帆得知藤原光从一个月前开始就数次失去意识。

据钢琴教师说，她也是从那时开始练习横笛。就在此时，正在喝茶的藤原光突然捂住胸口痛苦不堪，在对她进行救治时，志帆看到她的后背有一处很眼熟的伤痕。当志帆意识到眼前的少女背负的命运时，志帆不禁哑然。对藤原光的心脏的详细检查结果显示她是狭心症发作。

而失去意识和痉挛是血流堵塞症所致。两种疾病发作造成了过换气症候。经过药物治疗，狭心病症状得以缓解，但是血流堵塞症必须手术治疗。正当大家都认为主刀医生必是雪野时，志帆却自告奋勇要做手术。志帆表示无论如何也要用自己的手帮助藤原光。

叶子同意由志帆开刀。而雪野看到与平时不一样的志帆却有点担心，想知志帆的真正想法，志帆对她说起两年前发生的爆炸事故，当时自己的孩子和藤原光都在现场。

志帆负责治疗的天才少女钢琴家藤原是两年前爆炸事件的受害者，志帆的女儿真央也在同一事件中遇难，而且志帆发现真央是为了帮助藤原才献出生命的。她觉得如果藤原死了，那么真央的牺牲就失去了意义，所以，虽然自女儿去世后志帆因出现幻觉而放弃做手术，但是为了帮助藤原，她申请为其主刀。

不料，在手术当天，志帆从家里出来时突然感到一阵剧烈的头痛，然后昏了过去。雪野代替志帆做手术。但是，实际上手术无法实施，只有身为脑神经外科医生的志帆才能主刀，否则就得将病人转到有手术资质的其他医院。另一方面，志帆被诊断患了脑动脉瘤。

昌幸向解析诊断部的成员说明，自从两年前爱女丧生后，志帆就出现了这种状况。雪野终于明白脑动脉瘤才是志帆看到去世的女儿的幻影的真正原因。然而，就算是幻影，志帆仍想继续和爱女一起生活，所以对于脑动脉瘤置之不理。

解析诊断部的团队成为志帆感到心痛，连叶子也表示愿亲自主刀为志帆摘除肿瘤。一旦摘除肿瘤，就意味着志帆今后再也看不到“女儿”。叶子让志帆选择，是治好病后挽救藤原的生命，还是继续着看女儿的幻影生活。志帆难以做出决断。

这时，真央的幻影又出现在她面前，母女二人谈起这两年间奇迹般的生活的点点滴滴。与此同时，藤原的病情突然恶化，已经到了刻不容缓的地步。因为等不到志帆的回复，叶子决定让藤原转院。就在此时，志帆来到解析诊断部。