警視庁の働き方改革の一環で、刑事部・機動捜査隊（通称：機捜）の部隊が3部制から4部制に変更となった。臨時部隊として新設された“第4機捜”の隊員として招集された志摩一未（星野源）だったが、とある人事トラブルからバディとなる隊員が見つからないという事態に。やむを得ず、候補段階で落としていた奥多摩の交番勤務員・伊吹藍（綾野剛）を招集し、バディを組むよう命じられる。伊吹がどんな人物なのか、不安になった志摩は情報を集めるが、「とにかく足が速い」というだけで、短期間で次々と部署を異動していたり、かつての同僚刑事たちが「彼については話したくない」「二度と顔を見たくない」といい、調べれば調べるほど不安になる。そして、ついに迎えた第4機捜任務初日。初対面の伊吹は意外にも礼儀正しく、好印象を抱く志摩だったが…！？

伊吹（綾野剛）と志摩（星野源）がパトロールをしていると、伊吹が隣を走る車に違和感を抱く。そんな中、警視庁から殺人事件の容疑者が凶器を持って逃走しているという無線が入る。容疑者の特徴から伊吹は、隣の車に容疑者が乗っているかもしれないと察知し、追跡する。一方、殺害現場の初動捜査にあたる陣馬（橋本じゅん）と九重（岡田健史）は、第一発見者の証言から凶器を持って逃走した人物が、加々見崇（松下洸平）だということを知る。加々見は、事件現場となったハウスクリーニング会社では真面目に働く社員だったという。殺害された会社の専務との関係性を疑う中、陣馬は遺体周辺には血の掌紋が多数ついているにも関わらず、加々見が飛び出した部屋のドアノブには血が付着していなかったことを不可解に思う。疑惑の車を追尾する伊吹と志摩は、運転する田辺将司（鶴見辰吾）と助手席の妻・早苗（池津祥子）が怯えていたことから、車内で夫婦を脅す加々見による“移動立てこもり事件”と見立て慎重に様子を伺うが、接触した田辺夫妻の妙な態度から事件は予期せぬ方向へと転がっていく…。

西武蔵野署管内でイタズラの通報が頻発している。西武蔵野署の刑事・毛利（大倉孝二）と向島（吉田ウーロン太）によると、イタズラ通報は“通報したプレイヤーが警察から逃げ切ったら勝ち“というネット上のゲームのルールを模倣した愉快犯の遊びであるという。これまでそのイタズラ通報に対応した警官全員が犯人に逃げ切られていると聞いた伊吹（綾野剛）は「足で負ける気はしない」と、犯人逮捕に名乗りを挙げる。後日、伊吹と志摩（星野源）が管内をパトロールしていると、入電中に通話が切れるというこれまでのイタズラと同じ手口の通報が入り…。

拳銃使用による殺人未遂事件が発生する。被害者は元ホステスの青池透子（美村里江）で、加害者男性も含め現場から立ち去った。通報を受けた伊吹（綾野剛）と志摩（星野源）は、透子が駆け込んだ付近の薬局店へ急行する。店主の証言では、透子は店内で銃創の応急処置をした後、大金の入ったスーツケースを持って姿を消したという。透子が過去に裏カジノ事件に関与していた事を知る桔梗（麻生久美子）の指示で、伊吹と志摩は透子の行方を追うが…

日本人店員が勤務するコンビニを狙った強盗事件が同時発生する。伊吹（綾野剛）と志摩（星野源）は、現場周辺の店舗でコンビニ店員に扮して張り込みを行うが、なんと、その店舗も強盗に襲われてしまう。さらに付近の店舗も次々と強盗に襲われるが、マークしていた捜査員によって一斉に確保される。犯人は外国人で、その大半が低賃金で労働する元技能実習生だった。伊吹と志摩も同様に犯人を捕まえるが、二人に仕事を教えた留学生のマイ（フォンチー）が勤務する別店舗では、犯人を取り逃がしていた。その一件が発端で、マイに共犯の容疑がかかってしまう。伊吹と志摩は、マイの関係者から話を聞くために彼女が通う日本語学校の事務員・水森（渡辺大知）を訪ねるが…そんな中、伊吹は恩師であり元刑事の蒲郡（小日向文世）に会いに行く。今は外国人支援センターで働く蒲郡から外国人労働者の実態を知った伊吹は、思わぬところから事件の真相に迫ることになるのだが…

トランクルーム内に男性の遺体があると通報があり、初動捜査に駆けつけた伊吹（綾野剛）と志摩（星野源）。現場で2人が目にしたのは、トランクルームの中で猫砂の山に埋まり、微笑むような穏やかな顔をしている死体。一見、自殺のように見える状況だが、ただの自殺とは思えない2人は、他のトランクルームの利用者であるジュリ（りょう）と、家出少女のスゥ（原菜乃華）とモア（長見玲亜）の聴取を行うことに。さらに、トランクルームに違法に住んでいる男・倉田（塚本晋也）の証言で、死亡した男についてある事実が分かる。一方、結婚が決まった長男の両家顔合わせに出席するため会場に向かっていた陣馬（橋本じゅん）は、その道中で偶然にも指名手配犯と遭遇し、急遽後を追うことに…！？

山中で男性の変死体が見つかり、伊吹（綾野剛）と志摩（星野源）は現場へ急行する。遺体の特徴的な創傷と残された文字から、未解決の連続猟奇殺人の可能性が浮上し、事件の捜査は一課の管轄となる。捜査会議に参加した伊吹と志摩は、そのまま一課の刑事・刈谷（酒向芳）の手伝いに駆り出される。刈谷と同行し訪れた不自然死究明研究所、通称「UDIラボ」で、伊吹と志摩は臨床検査技師の坂本（飯尾和樹）と出会う。その後、今回の事件の捜査資料を盗み見た伊吹は、複数の前科があった被害男性の最初の事件を担当した刑事が恩師の蒲郡（小日向文世）だった事を知る。伊吹と志摩は、蒲郡から得た情報を頼りに犯人を追うが…

桔梗（麻生久美子）の自宅に盗聴器が仕掛けられた一件が進展する中、伊吹（綾野剛）、志摩（星野源）らのもとに、虚偽通報事件で逃走中の高校生・成川（鈴鹿央士）が暴力団の関係先に出入りしているという情報が入る。成川を取り逃がしたことに責任を感じていた九重（岡田健史）は捜査を志願し、陣馬（橋本じゅん）と共に成川を捜し出そうとするが…。一方、成川は久住（菅田将暉）の世話になりながら、ナウチューバ―・REC（渡邊圭祐）に接触し、賞金一千万がかけられた羽野麦（黒川智花）の捜索を依頼する。そんな中、桔梗宅への住居侵入事件の主犯が、エトリと繋がりのある辰井組の組員だったことが分かり、関係各所への一斉ガサ入れが決行される。桔梗はエトリを再び取り逃がすことを恐れ、伊吹、志摩らにエトリにつながる人物を探すように命じるが…

伊吹（綾野剛）と志摩（星野源）が追っていたエトリが、ドローンに仕掛けられた爆弾で死んだ。司法解剖の結果、エトリの正体は５年前に起きた殺人事件の容疑者であることが判明。誰が何の目的で彼を殺したのか？ １機捜の糸巻（金井勇太）の調べで、エトリはいつも、システム開発に詳しい若い男の指示を受け行動していたことがわかる。志摩はその若い男こそ、久住（菅田将暉）という男ではないかと考える。久住と面識があるのは留置場にいる高校生の成川（鈴鹿央士）だ。桔梗（麻生久美子）は、成川から久住について聞き出すよう九重（岡田健史）と陣馬（橋本じゅん）に指示。そして、伊吹と志摩にはその裏付け捜査をするよう指示し、４機捜が一丸となって爆弾犯の行方を追うが…。一方、ナウチューバー・REC（渡邊圭祐）は、逮捕された成川に代わり「浜田」と名乗る情報源から、ドローン爆発事件に関する極秘ファイルを受け取る。

同時多発爆破テロのニュース映像はフェイクとわかり、大混乱は間もなく収束した。伊吹（綾野剛）と志摩（星野源）は、犯人が乗っているとネット上で拡散されたメロンパンの機捜車両４０４での密行は行えずにいた。別の車両で密行していると、その車中、伊吹は志摩の態度がおかしいことを追及。結果的に２人の関係がギクシャクしてしまう。実は、トラックにひき逃げされた陣馬（橋本じゅん）は、爆破テロの大混乱で救急搬送が遅れてしまった…。志摩はフェイクに気づけずに判断を誤った自分を責めていた。九重（岡田健史）も陣馬の相棒として一緒に行動できなかったことを悔やみ、桔梗（麻生久美子）は班長としての責任を痛感。それぞれが無力感にさいなまれていた。そして伊吹は…。さらに、依然として久住（菅田将暉）の行方は掴めないまま…。４機捜はこのまま久住を捕まえられず、バラバラになってしまうのか…。