深夜、公園にたむろしていた若者達の一人が、突然頭部から発火し死に至る人体発火事件が起こる。事件を担当する新米刑事の内海は、尊敬する先輩草薙の助言から帝都大学理工学部物理学科の准教授・湯川学に人体発火の原因解明を依頼する。しかし、湯川は「変人ガリレオ」と呼ばれるほどの変わり者であった。
OL絞殺事件の容疑者として、保険外交員の栗田が逮捕される。事件当日のアリバイを主張する栗田であったが、立証する人物がいないために警察の厳しい追及を受ける事となる。ところが、ある少年が部屋から栗田の主張するアリバイ通りに車を見たと証言する。しかし少年の部屋と目撃した車の間には工場があり、直接見ることは不可能であった。警察が少年の証言を無視する中、マスコミが幽体離脱現象として騒ぎ始める。
夜勤明けに湯川から呼び出された内海は、神崎弥生から行方不明の夫の捜索を依頼される。弥生は夫が懇意にしていた高野ヒデ宅が最後に訪れた場所と断定し、夫が行方不明になった日に他界した高野ヒデに代わって現在高野家に住む甥夫婦と不審な男女が夫の失踪に関係していると主張する。そして半ば強引に内海を連れて無人の高野家に侵入した弥生は、内海と共にポルターガイスト現象に遭遇する。
自宅のプールで死亡している女性が発見された。死因は心臓麻痺だったが、なぜか胸に痣ができており、その部分の皮膚は壊死していた。この痣に疑問を持った内海は例のごとく湯川に協力を求めるが、「物理学の範疇ではない」と一蹴されてしまう。困った彼女は、事情聴取で訪れた「四谷工科大学」で田上昇一という男と出会い、調査協力を求めると同時に親しくなっていく。一方、一度は内海の依頼を断った湯川も、ひょんなことから田上への疑念を抱き、痣を残した心臓麻痺の謎に挑む。
とあるホテルの一室で、皮膚が擦り切れるまで絞められた絞殺死体が発見される。警察は被害者に多数の保険金が掛かっていたため妻に疑惑の目を向けるが、現場は密室状態であり、妻には完全なアリバイがあった。行き詰まった捜査の中、警察は無視したが犯行が行われたと思われる時間帯に火の玉が目撃されており、内海は突破口を求めて湯川に火の玉の謎解明を求める。
女子高校生の寝室に男が侵入し、発見され負傷しながら逃走するという事件が発生する。容疑者は坂木八郎、内海の幼馴染だった。この為捜査から外された内海は、湯川の協力を得ながら独自に捜査を始める。だが捜査を進めるうちに湯川と内海は坂木がまだ生まれていない「森崎礼美」と結婚する予言をしたとしか思えない事実に直面する。
栗林の友人である菅原の浮気相手が、菅原の向かいのマンションで首吊り自殺する。それから半年後、妻とは離婚させられ、多額の慰謝料を支払った菅原から、事件の一週間前にも同じ自殺シーンを見たと聞かされた栗林は、湯川と内海に相談を持ちかける。湯川は、予知さながらの出来事に興味を持ち、解明に乗り出す。
料理教室の経営者･前田美鈴が200か所以上を刺された遺体となって発見された。容疑者とされた男はビルの窓から外に出ようとして、誤って転落死してしまう。被害者がストーカー被害に遭っていたことから警察はストーカー殺人との見方を強めるが、事件現場から30km離れた被害者の自宅にいた被害者の妹・千晶は、犯行時刻に窓越しに姉の姿を目撃していた。千晶の証言が気になった内海は、霊視かテレポーテーションのような不可思議な現象について湯川に相談する。興味を持ち調査に乗り出す湯川だが、30km離れた場所へ短時間で移動する方法の解明に行き詰まってしまう。
ある中学の文化祭に防犯講習で訪れた内海と弓削は、「ゾンビのデスマスク」と名づけられた展示品を目にする。精巧に作られたこの展示品は、生徒が池から拾い上げたアルミ板を元に作った物だったが、行方不明中の藤川雄一にそっくりだった。後日、その池から藤川の遺体が発見される。まるで遺体から転写して作られたような精巧な顔型の謎を追う湯川と内海は、城ノ内から藤川が放射線被曝を受けていたことを知らされる。 さらに栃木県警から龍仁湖で起きた原因不明の爆破事件の捜査協力を受けた本庁の草薙からも、事件の被害者が放射線被曝を受けていたことを知る。この被害者が藤川と同じ会社に勤務していたことから、事件の背後にかつての恩師・木島征志郎の存在を感じた湯川は木島との全面対決に挑む。
ある中学の文化祭に防犯講習で訪れた内海と弓削は、「ゾンビのデスマスク」と名づけられた展示品を目にする。精巧に作られたこの展示品は、生徒が池から拾い上げたアルミ板を元に作った物だったが、行方不明中の藤川雄一にそっくりだった。後日、その池から藤川の遺体が発見される。まるで遺体から転写して作られたような精巧な顔型の謎を追う湯川と内海は、城ノ内から藤川が放射線被曝を受けていたことを知らされる。 さらに栃木県警から龍仁湖で起きた原因不明の爆破事件の捜査協力を受けた本庁の草薙からも、事件の被害者が放射線被曝を受けていたことを知る。この被害者が藤川と同じ会社に勤務していたことから、事件の背後にかつての恩師・木島征志郎の存在を感じた湯川は木島との全面対決に挑む。
海辺近くの友永家で、離れが突如炎上。焼け跡からそこに住んでいた息子・邦宏の遺体が見つかる。当初は焼死と見られたが、刀のような刃物で刺されていたことが判明する。しかし離れには何者かが侵入した痕跡はなく、捜査に当たった草薙は専門家に意見を聴くため、母校の帝都大学を訪れる。 その帰り際、大学の掲示板に学生時代の友人と同じ名前の助教授（湯川学）の名を見かけた草薙は、湯川の研究室に足を運ぶ。草薙は学生時代に殺人容疑を掛けられ、窮地を湯川に救われた経験があり、再会した湯川に捜査協力を依頼する。草薙から聞かされた事件に全く興味を示さない湯川だったが、「現場近くのビーチには水着姿の女性がいる」と草薙から唆され、助手の栗林を連れて現場に向かうことになる。
宗教法人クアイの会の教祖・連崎が信者に指一本触れずに念を送り、蒲田の雑居ビルから転落死させる事件を起こした。アメリカに研修のため旅立つ内海は、草薙の指示通り、自分の後任として岸谷美砂を湯川に紹介する。内海と岸谷から連崎の「送念」と呼ばれる行為について説明を受けた湯川は、岸谷とともにクアイの会の教団施設を訪れ、連崎と面会する。
一人暮らしの老婦人・野平みつ子が何者かに殺害された。その後彼女の飼い犬のクリが死骸となって数百メートル離れた場所で発見されるが、発見者の高校生・真瀬加奈子はダウジングを使ってクリを発見していた。報告書をまとめることとなった岸谷は被害者の遺体発見の経緯を論理的に説明出来ず、困り果て湯川のもとを訪れる。ダウジングに興味を持った湯川は岸谷と捜査にあたる。
岸谷は大学のサークルの先輩だったデータ復旧会社・ペンマックスの従業員・白井冴子の葬儀に参列していた。その場で、社長・早見は死んだはずの彼女の声が聴こえたことで発狂し、投身自殺する。現場を目撃して違和感を覚えた岸谷は太田川とペンマックス社を訪ねるが、その場において冴子の上司である加山が彼女の声を聴いたことで錯乱、止めに入った岸谷の臀部を刺してしまう事態になってしまう。この模様を電話で聞いていた湯川は声が聴こえる原因に興味を持ち、岸谷と捜査を始める。同じ頃に、冴子の部下だった脇坂睦美は謎の耳鳴りに悩まされるようになる。
プロ野球選手の柳沢忠正の妻・妙子の民家でストーブが着火し、妙子が死体で発見される。忠正の事情聴取をした岸谷は夫婦仲がしっくりいっていなかったことを知り、忠正に疑いの目を向ける。しかし、妙子が亡くなった時間、忠正には練習パートナーの宗田祐輔と、科学実験のアドバイザーと一緒に投球練習をしていたアリバイがあり、そのアドバイザーが湯川だった。事件の影響で動揺し、練習に集中できない忠正のため、湯川は事件の解明に乗り出す。その後妙子の死は事故によるものと判明するが、疑念を拭いきれない忠正は、更なる調査を湯川に依頼する。
アンティークショップ経営の女性・磯谷若菜が何者かに襲われ、昏睡状態に陥る事件が発生。襲われた時と同時に、双子の妹・三上春菜が姉の危機を察知して夫の和宏に電話を掛ける。岸谷から事件の話を聞いた湯川は、双子の間に説明のつかないコミュニケーション能力があるのは良く聞くが、あくまでも偶然と思い込みであると理論的に説明がつくと話す。しかし、そんな湯川の元に岸谷が連れてきた何組もの双子が現れ、不思議な能力について次々と証言するが、湯川はそれも偶然の一致だと返し、なぜそこまで双子にこだわるのかと岸谷に問いかける。すると岸谷は、若菜が襲われた瞬間、長野に住む春菜が犯人の顔を見たのだと告げる。
ある休日、岸谷はSNSを通じて知った山歩きのイベントに参加する。岸谷の次にペンションに到着した有名企業の研究者、篠田真希は、一通りの挨拶を済ませると「疲れているから」と言って部屋に籠り、夕食時も姿を現さなかった。心配した岸谷と、後から到着したこのイベントの企画者であり、篠田の上司でもある研究者・野木祐子が部屋を訪ねるが、部屋は施錠されており返事は無かった。それからしばらく時が経ってから、篠田がベランダから出て行った痕跡をペンションのオーナーが発見し、翌朝、篠田の遺体が渓流で見つかる。野木は事件が発覚する直前に岸谷たちの前からしばらく姿を消していたことと、野木の次に湯船につかった岸谷の身体に過飽和が現れた事から、野木による犯行ではないかと疑問を抱く。岸谷から話を聞いた湯川は、その科学的な理由と野木の美貌に興味を抱き、事件現場を訪れる。
湯川は栗林とゼミ生の遠野みさきを伴い、学会に出席していた。その帰り、湯川と栗林はみさきに誘われ、彼女の地元の神社にある「天狗のミイラ」を見に行く。しかし神社に着くとミイラのある祠には入ることができず、地元の警官でみさきの幼馴染である合田武彦が現れる。実は神社の神主が「烏天狗がミイラを取り返しにくる」と語り、祠をコンクリートで固めてしまったのだ。しかも神主は2週間前に祠で白骨死体として見つかっていた。みさきは事件を調査してもらうために湯川を神社に連れて来たのだった。するとそこに、一人のずぶ濡れになった若い女性・小島結衣が現れる。彼女はみさきと合田の幼馴染で、神社に着く前、急なにわか雨に降られた湯川に傘を貸した女性だった。
人気劇団の代表、駒田良介が自宅で刺殺される。遺体が発見されたのは午後7時50分。その20分ほど前に駒田は劇団の看板女優・神原敦子と衣装係・安部に電話を掛けていたが、一言も発さなかった。電話から駒田の異変を感じた二人は彼のマンションを訪れ、神原が持っていた合鍵を使い部屋に入り、遺体を発見した。部屋は密室だった。その後の調査で駒田と神原が恋人の関係にあったことを知った岸谷は、神原に疑いの目を向け、湯川の元に協力を仰ぐ。湯川は神原のアリバイを崩すある方法を証明する。
貝塚北署と湯川の元に、「悪魔の手」と名乗る人物から犯行声明文が届く。警察に対しては犯行予告、湯川に対しては宣戦布告を仄めかす内容だった。その文面の通り、不審な事故死が二件相次ぎ、どちらも前日に犯行予告と思しき書き込みがWebサイト上にあった。同時期、週刊誌に湯川が警察に協力しているという内容の記事が掲載されていた。また、「悪魔の手」からマスコミに捜査状況を伝えて欲しいといった内容の文面が届くが、警察は犯人の挑発には乗るわけにはいかず暫く放置していたが、痺れを切らした「悪魔の手」は詳細な事件概要をリークする犯行声明文をマスコミ向けに送りつけた。そのことによって、「悪魔の手」による一連の事件の存在が明るみになってしまう。
会社経営者の真柴義之が自宅で殺害されているのが見つかった。彼が飲んだコーヒーからヒ素が検出された事から、警察は計画殺人による毒殺と断定。彼の妻・綾音は湯川の中学時代の同級生であった。綾音は義之が殺害される直前に彼から離婚を切り出されており、岸谷に疑いをかけられるが、事件当日は北海道に里帰りしていたアリバイがあった。岸谷からの依頼もあり、湯川は20数年ぶりに綾音と再会。湯川は綾音が勤める幼児教室で科学の講師を買って出る。
刑事課に赴任して5年、内海は湯川との関係を続け捜査に当たっていたが、年齢が30を超えた為将来についてしばしば悩むようになっていた。上司の間宮からはアメリカ研修を勧められ、一層悩みは深まるばかり。そんなある日、車いすに乗った派手な身なりの老婆を見て不審に思った内海は職務質問をするが、その途端老婆が倒れる。その女性・岩見芙美はすでに亡くなっており、車いすを押していた男・上念は彼女の娘・千加子を殺害した罪で指名手配されていた為そのまま逮捕。逮捕のきっかけを作った内海は事件の捜査に当たる為長野県警に派遣され、若手職員・当摩と組んで事件捜査に当たることとなる。しかしこの事件の裏には上念、そして長野県警の闇があった…。
映画『沈黙のパレード』の事件の4年前、帝都大学の准教授・湯川学（ゆかわ・まなぶ／福山雅治）のもとを、刑事・草薙俊平（くさなぎ・しゅんぺい／北村一輝）と部下の牧村朋佳（まきむら・ともか／新木優子）が訪れる。フリーライターの長岡修が殺害された事件で、被害者の部屋から、突然倉庫の壁に穴が開くという奇妙な動画ファイルが見つかったのだ。その動画を湯川に見せると、湯川は珍しく興味を抱く。「映像が撮影された場所を見せてくれ」と語り、ただならぬ湯川の様子を気にかけつつ、草薙は牧村とともに現場へと向かう。
シリーズ前作『禁断の魔術 ガリレオ8』に続く書き下ろし作品。「週刊文春」2018年12月13日号では、この作品の最大の読みどころを「被害者の女性を大切に想っていたはずの人々がどのように犯罪に関わっていくのか」という展開だと指摘した。東野はインタビューで「被害者を愛した善良の人々が力を合わせたら、湯川でさえも手こずるような謎が生まれるのではと考えた」と語っている。
花岡靖子は娘・美里とアパートで二人で暮らしていた。そのアパートへ靖子の元夫、富樫慎二が彼女の居所を突き止め訪ねてきた。どこに引っ越しても疫病神のように現れ、暴力を振るう富樫を靖子と美里は大喧嘩の末、殺してしまう。今後の成り行きを想像し呆然とする母子に救いの手を差し伸べたのは、隣人の天才数学者・石神だった。彼は自らの論理的思考によって二人に指示を出す。 そして3月11日、旧江戸川で死体が発見される。警察は遺体を富樫と断定、花岡母子のアリバイを聞いて目をつけるが、捜査が進むにつれ、あと1歩といったところでことごとくズレが生ずることに気づく。困り果てた草薙刑事は、友人の天才物理学者、湯川に相談を持ちかける。 すると、驚いたことに石神と湯川は大学時代の友人だった。彼は当初この事件に傍観を通していたが、やがて石神が犯行に絡んでいることを知り、独自に解明に乗り出していく。
きれいな海に面した玻璃ヶ浦で計画されている、海底鉱物資源の開発。その説明会に招待された物理学者・湯川学（福山雅治）は、緑岩荘という旅館を滞在先に選ぶ。そして、そこで夏休みを過ごす旅館を営む川畑夫婦（前田吟、風吹ジュン）のおい、恭平と知り合う。次の朝、堤防下の岩場で緑岩荘に宿泊していたもう一人の客・塚原の変死体が発見される。図らずも事件に直面した湯川は、旅館廃業を考えていたという川畑夫婦や、夫婦の娘で環境保護活動に奔走する成実（杏）らと塚原の思わぬ因縁を知る。
