神探伽利略第二季因为在过去几年里经常处理奇怪案件，贝冢北署警察内海薰（柴崎幸 饰）被上层派往美国某个经常发生乱七八糟事件的城市研修一年。经草薙（北村一辉 饰）的推荐，毕业于帝都大学法学系的美女高才生岸谷美砂（吉高由里子 饰）调来接替内海的位置。美砂正义感十足，虽然是一个没有任何功绩的新人警察，其为人却高度自信，言语刻薄，令常人难以接受。适值此时，新兴宗教团体苦爱会教主连崎至光（大泽隆夫 饰）念力杀人的案件发生，促使美砂找到帝都大学的物理学教授汤川学（福山雅治 饰）帮忙。坚信“万事皆有因”的汤川大展身手，圆满找出此案背后的秘密。美砂虽然不满汤川的态度，但是接下来一系列奇怪案件，仍将这个高傲的女孩和神探伽利略紧紧联系在一起。最新的组合，再次启程……　　本片根据东野圭吾的原作改编。