Michael Holt est un brillant neurochirurgien dont la clientèle ne compte que des personnes très fortunées. Un jour, il croise par hasard Anna, son ex-femme qu'il n'a pas vue depuis des années, et passe la soirée avec elle. Seulement, le lendemain, il découvre qu'Anna est morte dix jours plus tôt, et qu'il est le seul à la voir et à l'entendre. Anna lui demande de reprendre sa mission au sein du dispensaire qu'elle dirigeait...

Alors qu'il doit être interviewé par une journaliste du New York Magazine, Michael, sollicité par des patients du dispensaire d'Anna, accepte de s'occuper d'un jeune garçon tout en suivant la femme d'un ami, enceinte et atteinte d'une tumeur cérébrale...

Michael cherche un médecin pour diriger le dispensaire d'Ana et refuse la candidature de Kate Sykora pour proposer le poste à un ami, qui décline l'offre après avoir découvert l'endroit. Holt jongle alors entre un patient du dispensaire, qui refuse de faire des examens faute d'assurance, et une femme pilote qui souffre de tremblements aux mains...

Michael tente de convaincre Evan Morris, un neuropsychiatre de renom qui a réussi à diagnostiquer un patient uniquement grâce à son langage corporel, de rejoindre sa clinique. Pendant ce temps au dispensaire, Kate prend des risques pour sauver la vie d'un jeune patient mais cela met Michael dans une situation délicate. Il doit décider si cela vaut la peine de risquer sa carrière pour la vie de ce patient.

Michael est surpris de voir une ancienne star de football, qu'il a opérée avec succès des années auparavant, venir se faire soigner au dispensaire. Sans domicile fixe, l'homme vit dans la rue. À la clinique, Michael doit examiner un patient souffrant de stress post-traumatique...

Lorsque Michael découvre qu'un de ses patients atteint d'une tumeur maligne au cerveau a commis un crime, il s'interroge si ce dernier mérite d'être sauvé. Au dispensaire, une femme pompier totalement désorientée doit être examinée...

À l'occasion de Thanksgiving, Rita prépare une surprise à son fils pour qu'ils puissent passer cet évènement en famille, mais ce dernier a un accident de moto. Michael doit alors tout faire pour le garder en vie. Pendant ce temps, les docteurs Skykora et Barnes tentent de sauver la vie d'un patient, alors qu'il avait émis le souhait de ne pas être réanimé.

À la clinique, Holt traite une patiente sur le point de se marier et atteinte de vertiges, mais c'est l'état de santé de la mère qui préoccupe d'avantage le neurologue. Celui-ci est également mobilisé au dispensaire, aux côtés de Kate, sur le cas d'une institutrice présentant les symptômes d'une méningite...

Alors qu'il souffre d'un hernie nécessitant une intervention chirurgicale d'urgence et qu'une tempête de neige s'annonce, Holt décide de s'occuper d'une patiente agoraphobe et diabétique qu'Ana soignait à domicile. Au dispensaire, Kate et Zeke prennent en charge un jeune garçon qui ne s'avère pas hypocondriaque comme ils le pensaient...

Holt décèle chez un artiste déjanté une tumeur au cerveau mais le patient hésite à se faire opérer dès lors qu'elle provoque sa fibre artistique... Au dispensaire, une mineure accouche d'un bébé avant de s'enfuir. Kate refuse de confier l'enfant aux services sociaux avant d'avoir essayé de retrouver le père.

Kate est préoccupée par l'état de santé de sa protégée et meilleure amie, une joueuse de basket souffrant de problèmes de dos. Holt sauve un homme de la noyade qui, à son réveil, souffre d'hallucinations et de cécité. Par ailleurs, le neurologue s'inquiète pour son confrère, E-Mo, problement atteint d'une maladie génétique incurable...

Holt est appelé à témoigner lors du procès d'un pyromane meurtrier, irresponsable de ses actes à cause d'une tumeur cérébrale. Alors que Kate et Zeke traitent un patient le soir au dispensaire, une femme les prend en otage, ainsi qu'Anton, en attendant l'arrivée de Michael. Tous ignorent encore qu'elle est la mère d'une jeune fille décédée dans un des incendies du pyromane.

Une star de la chanson est admise à la clinique Holt pour des maux de têtes et une fatigue générale l'empêchant de poursuivre sa tournée. Au même moment, une jeune fille aux symptômes similaires est prise en charge au dispensaire. Michael va alors faire le rapprochement entre ces deux patientes.

Michael reçoit la visite de Lily Meyerson, une ex petite amie du lycée venue pour une réunion d'anciens élèves. Victime d'un récent accident de voiture, Michael lui découvre une commotion cérébrale assez grave. Zeke s'occupe de son demi-frère, dont une infection à la main révèle un autre problème de santé...

Récompensé par le prix de la recherche neurochirurgicale, Michael Holt secourt un confrère et ami, pris d'un malaise au milieu de son discours. Par ailleurs, le neurochirurgien découvre qu'une patiente traitée par Kate au dispensaire a récemment subi une transplantation du coeur d'Anna...