中央監察医務院。死因不明の急性死、事故死、自殺など、すべての不自然死の検案･解剖を行う機関。ある日、万年人手不足にあえぐその医務院に、松本真央 (武井咲) という新人監察医が着任する。彼女はIQ150という才女だが、学生時代から法医学の世界にのめり込んでいたという変わり者。自己紹介もそこそこに、プロファイラーのような洞察力で上司のプライベートをずけずけと分析するなど、初日から先輩職員たちを困惑させる。

都内のアパートで独り暮らしの若い男性･狭川明 (柄本時生) の遺体が発見された。第一発見者は偶然訪ねてきた母親の典子 (手塚理美)。部屋は密室状態になっており、遺書らしき文章も発見されていたが、遺体は死因不詳の為、印田 (真矢みき) は行政解剖を指示する。解剖を担当することになった真央 (武井咲) は、作業に没頭するが、死因を特定するような痕跡は見つけることができなかった。

バスの車内で突然意識を失った女性が、救命措置も虚しくそのまま死亡した。亡くなった蒲生弓子 (床嶋佳子) という女性は、医大の講師で、印田 (真矢みき) とは医学部の同期。1週間ほど前、旧友の通夜で再会したばかりだった。病院での診断では、くも膜下出血が死因とされていたが、改めて検案した結果、遺体にくも膜下出血にみられるはずの特徴的な症状が見当たらなかったことから、監察医務院で詳しく調べることに。

山中の廃屋でミイラ化した女性の遺体が発見された。遺留品は、着ていた服と靴だけで、身元がわかる物は何ひとつ見つからなかった。指導係の中山 (尾美としのり) と共に検案にあたった真央 (武井咲) は、より詳しく遺体の状況を調べるため、Ai (死亡時画像診断) にかける。すると、肋骨などから刺されたような痕跡が見つかり、殺人事件の可能性が浮上。司法解剖に切り替えられる。

大物政治家･友部理一郎 (浜田晃) が亡くなり、印田 (真矢みき) と真央 (武井咲) は検案のために友部家を訪れる。死因不詳のため、屋敷 (佐々木蔵之介) たち刑事もその場に居合わせていた。友部の妻･葵 (木野花) によると、理一郎は気分が悪いと言って横になった後、ちょっと目を離している間に呼吸が止まっていたという。しかし、葵は大物代議士である夫が、見知らぬ救急隊員や医者に介抱されることを嫌い、救急車を呼ばなかったらしい。

東京拘置所に収監されている死刑囚･小杉 (橋爪功) のもとに印田 (真矢みき) が現れたと知った真央 (武井咲) は、訪問の意図を問いただす。印田いわく、「3人の男を殺したのは、すべて真央のためだった」と小杉が言っていたというが…。そんな中、監察医務院で遺体の解剖中に、胃から漏れ出した青酸ガスによる中毒事故が発生。解剖とその補佐にあたっていた岩松、中山、保坂の3人が緊急搬送されてしまう。