江戸時代にタイムスリップした医師の奮闘を描く。脳外科医・仁（大沢たかお）は、恋人の未来（中谷美紀）の手術を失敗してしまった過去から難しい手術を拒んでいた。ある日仁は、救急患者から胎児の形をした腫瘍を摘出。その後、患者は病院を抜け出す。追い掛けた仁は階段から落ち、目を覚ますとそこは幕末だった。

仁（大沢たかお）がタイムスリップした江戸の町でコレラがはやり始める。蘭方医の洪庵（こうあん・武田鉄矢）は、仁のうわさを聞き、治療法を教えてほしいと願い出る。しかし仁は、歴史が変わることを恐れ、口をつぐんでいた。そんな中、仁が助けたタエ（戸田菜穂）の息子・喜市（伊澤柾樹）がコレラに感染してしまう。

仁（大沢たかお）の指揮の下、コレラ患者の治療が始まった。仁は咲（綾瀬はるか）や洪庵（こうあん・武田鉄矢）らに、コレラによる脱水症状の対処法や点滴の使用法を教える。懸命な治療のかいあって喜市（伊澤柾樹）も回復。さらに、幕府によるコレラ対策の援助も決定する。そんな矢先、仁が突然嘔吐し、倒れてしまう。

江戸の暮らしにも慣れてきた仁（大沢たかお）は、洪庵（こうあん・武田鉄矢）の紹介で、西洋医学所で講義をするように。ある日、仁は龍馬（内野聖陽）に連れられ吉原を訪れる。そこで、現代の恋人・未来（中谷美紀）とうり二つの花魁・野風（のかぜ・中谷美紀＝2役）に出会う。野風は仁に、重体の店の主人（六平直政）を助けてほしいと頼む。

仁（大沢たかお）は野風（のかぜ・中谷美紀）に連れられ、梅毒で苦しむ夕霧（高岡早紀）の元へ。だが、夕霧は手の施しようがない状態だった。仁は感染防止のため女郎たちの検診を申し出るが、治せないのなら診てもらっても仕方ないと猛反発される。そこで仁は、この時代にはなかった梅毒の特効薬・ペニシリンの精製を試みる。

仁（大沢たかお）は、西洋医学所を敵視する医学館の多紀（相島一之）に呼び出され、どこで医術を学んだのかと詰問される。そんな中、同席していた医学館の医師・福田（佐藤二朗）が倒れ、仁が手術を行うことに。佐分利（さぶり・桐谷健太）の手助けで、手術は無事成功するが、その後佐分利に女郎殺害の疑いが掛かる。

医学所を辞めて橘家にこもった仁（大沢たかお）の元に、茶屋の娘・茜（橋本真実）が鍋の揚げ油をかぶり、顔に大やけどをしたとの知らせが入る。仁は皮膚移植を決断するが、手術後の感染症予防のためには大量のペニシリンが必要だった。仁は洪庵（こうあん・武田鉄矢）に依頼。洪庵は代わりに手術を知人に見せてほしいと頼む。

仁（大沢たかお）は、火消しの親分・辰五郎（中村敦夫）と出会い、火事場で医者の度胸を見せることを約束する。その夜、街で火事が起こり、駆け付けた仁は、咲（綾瀬はるか）らとけが人の治療を始める。そこへ、気道にやけどをした辰五郎の子分・千吉が運ばれてくる。一方、野風（中谷美紀）は、身請けが決まってしまう。

身請け話を持ち掛けられた野風（中谷美紀）が、乳がんを患っていることが発覚。しかし、徐々に写真の中の恋人・未来（中谷美紀・2役）が消えていくことに危機感を感じた仁（大沢たかお）は、野風が身請けを受ければ未来は助かると考え、「何でもない」と診断してしまう。そんな仁の姿を見た咲（綾瀬はるか）は、仁に食って掛かる。

崖から落ちて姿を消した龍馬（内野聖陽）の捜索が始まった。しかし、龍馬の行方は分からず、勝（小日向文世）は龍馬抜きで海軍の整備を始めようと動きだす。それに対して仁（大沢たかお）は、このまま幕末を迎えることに焦りを感じる。一方、咲（綾瀬はるか）の縁談の話は進み、野風（中谷美紀）の身請けの日も近づいてくる。