《神探伽利略第二季》时隔六年重磅回归，本片继续根据著名推理小说家东野圭吾的原作改编，将呈现《伽利略的苦恼》、《圣女的救济》、《虚像丑角》和《禁断魔术》等经典故事。在过去几年里，由于频繁处理离奇案件，贝冢北署女警内海薰（柴崎幸 饰）被上层派往美国一座类似事件频发的城市研修一年。经刑警草薙（北村一辉 饰）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，虽是毫无功绩的新人，却高度自信、言语刻薄，性格令常人难以接受。适逢此时，新兴宗教团体“苦爱会”教主连崎至光（大泽隆夫 饰）涉嫌念力杀人的诡异案件发生，促使美砂不得不向帝都大学物理系怪才教授汤川学（福山雅治 饰）求助。坚信“万事皆有因”的汤川再次大展身手，凭借严谨的科学逻辑圆满揭开了此案背后的秘密。尽管美砂对汤川的高傲态度颇为不满，但接踵而至的一系列离奇悬疑案件，仍将这个言辞犀利的新人女警与“神探伽利略”紧紧捆绑在一起。全新的搭档组合，截然不同的性格碰撞，神探伽利略与新搭档的破案之旅，再次启程……