帝都大学理工学部物理学科の准教授・湯川学（福山雅治）の元に、貝塚北署の新人刑事・内海薫（柴咲コウ）がやってくる。尊敬する先輩刑事・草薙俊平（北村一輝）のアドバイスで、管内で起きたある事件について彼に捜査協力を求めるためだ。それは、住宅街の通りにたむろしていた若者のひとりが、突然、頭が発火して死亡するという事件だった。人体が突然発火するという現象に強い興味を抱いた湯川は、研究が遅れるという助手・栗林宏美（渡辺いっけい）の忠告にも耳を貸さず、薫とともに事件現場を訪れる。

そんな中、湯川たちは、事件現場で空を見上げている幼い少女に出会う。その少女は、事件があった日、空に浮かぶ赤い糸を見つけたのだという。何かがひらめいた湯川は、現場近くで機械部品などを作っているという時田製作所に注目する。社長の時田（小林すすむ）は、薫が刑事だと知って、困惑していた。そこで、勝手に工場内を見て回っていた湯川は、金属部品のひとつを手に取り、従業員の金森（唐沢寿明）から注意される。時田から事件のことを尋ねられた湯川は、自然発生したプラズマによる事故ではないか、と答え、もしもう一度同じ場所で起これば捜査も打ち切りになる、などと言い出す。薫が説明を求めると、湯川は、まだ仮設の段階なのだから教えられない、と答え、「実に面白い」と言って笑みを浮かべた。薫は、そんな湯川の態度にキレ、彼を怒鳴りつけるが・・・。

湯川（福山雅治）からメールで呼び出しを受けた薫（柴咲コウ）は、そこで湯川の研究室の学生、村瀬健介（林剛史）の姉だという弥生（広末涼子）から、夫の直樹（渡辺裕樹）が事件に巻き込まれて帰ってこないから助けてほしい、と頼まれる。介護用品メーカーに勤める直樹が失踪したのは1週間前のことだった。失踪当日、直樹は、日ごろから気にかけていたひとり暮らしの老婆・高野ヒデ（森康子）の家に行ったはずだ、と弥生は主張した。そのヒデは、直樹がいなくなったのと同じ日に、心筋梗塞で亡くなっているのだという。すでに、ひとりでヒデの家を訪ねていた弥生は、その家にヒデの甥だという高野昌明（甲本雅裕）ら4人の男女が住んでいること、彼らが毎夜決まった時間に外出すること、そして彼らが外出した後、室内から物音がしたことを薫に報告する。弥生が直樹のことを深く愛していること、そして現在妊娠中であることを知った薫は、彼女とともにヒデの家に向かった。ヒデの家に到着したふたりは、昌明たちが外出したのを見計らって家の中にもぐり込んだ。が、やはり室内には直樹の姿はなかった。と、そのとき、突然部屋全体が激しく揺れ始めた。薫は、弥生の腕を掴んで外に逃げた。ところが、家の周囲は静まり返っており、家の中から聞こえていた物音もやがて消えてしまう。薫は、ヒデの家で起きたのはポルターガイスト現象だ、と湯川に報告するが・・・。

ある豪邸の室内プールで若い女性の水死体が発見された。両親が旅行に出かけていた間に起きた出来事らしい。検死の結果、死因は心臓まひによるものと思われた。だが、何故か胸の皮膚の一部だけが壊死していた。そのことが気になって湯川（福山雅治）のもとを訪れた薫（柴咲コウ）は、何故皮膚が壊死したのか、と彼に尋ねた。しかし湯川は、「それは物理学の範疇じゃない」などと言って薫を追い返してしまう。

ある日、某大学で開かれた物理学会での講演を終えた湯川は、ひとりの学生に呼び止められる。講演の内容に感銘を受けた、というその学生の名前は、田上昇一（香取慎吾）。その大学の院生だった。田上の名前に覚えがあった湯川は、記憶をたぐり、ひとつの論文を思い出す。その論文の内容に興味を持っていた湯川は、田上に名刺を手渡すと、いつでも連絡してくれ、と言って彼と別れた。するとそこに、薫が現れる。水死した女性は、この大学の学生だったのだ。湯川の姿を見つけた薫は、再度彼に相談を持ちかけたが、全く取り合ってもらえない。そのとき、ふと掲示板を見た薫は、そこで“皮膚疾患の先端技術”という文字を見つける。皮膚が壊死した原因がわかるのではないかと思った薫がその研究室を訪ねてみると、そこにいたのは白衣姿の田上だった。薫から事件の話を聞いた田上は・・・。

湯川（福山雅治）は、貝塚北署の薫（柴咲コウ）から、管内のホテルで起きた密室殺人について意見を求められる。被害者は、東京近県でペンションを経営する矢島（岡本光太郎）という男。死亡推定時刻は、矢島がホテルにチェックインしてから1時間後の午後6時だった。実は、矢島が807号室にチェックインする少し前から、部屋の前の廊下で電気配線のチェックが行われていた。作業員によれば、3時間近くに及んだその修理中、807号室に入ったのは矢島だけだという。しかし、部屋にはふたり分のコーヒーの容器が残されており、一方の容器からは睡眠薬も検出されていた。このことから、犯人は矢島を眠らせた後、絞殺したものと思われた。だが、他にも不審な点があった。実は、ホテルの対面にあるビルで働く会社員が、矢島の部屋で火の玉が飛んだのを見たと証言したのだ。警察は、矢島がここ数カ月の間に、複数の生命保険に加入していることから、妻の貴子（水野美紀）に疑いの目を向けた。しかし貴子は、事件があったと思われる時刻、地元のスーパーで買い物をしている姿が目撃されていた。この事件に興味を抱いた湯川は、薫とともに貴子に会いに行く。しかし貴子は、犯人や火の玉にも心当たりはない、と答えるだけだった。あくる日、薫と弓削（品川祐）が捜査から戻ると、そこに矢島の娘・秋穂（大後寿々花）がやってきて、貴子が嘘をついている、と言い出す。

湯川（福山雅治）は、薫（柴咲コウ）から、彼女の幼なじみが起こした事件についての捜査協力を依頼される。事件が起きたのは森崎家の屋敷だった。2階の自室で寝ていた17歳の娘・礼美（堀北真希）のもとに坂木（新井浩文）という男が現れ、暴行を働こうとしたのだという。物音に気づいた礼美の母・由美子（手塚理美）は、娘の部屋に駆けつけ、坂木に向かって猟銃を発砲した。幸い礼美は無事だったが、坂木は傷を負ったまま現在も逃亡中だった。坂木は、薫とは小学校時代の同級生で、現在は占い師をしていた。坂木の店の名前は『モリサキレミの占いの館』。つい最近、薫は、偶然この店を訪れ、坂木と再会していた。捜査にあたった弓削（品川祐）は、坂木が客として自分の店にやってきた礼美のことを、ここひと月ほどストーキングしていた事実を薫に告げる。そんな折、薫の携帯電話に逃亡中の坂木から連絡が入る。そこで坂木は、自分を部屋に呼んだのは礼美の方だと薫に訴えた。坂木が占いに使っていた水瓶に、「会いに来て」という礼美からのメッセージが浮かんだというのだ。湯川の元を訪れた薫は、事件の経緯を説明した。しかし湯川は、ストーカーの妄想にしか思えない、と答えた。すると薫は、坂木が小学校時代に書いた作文を湯川に見せる。そこには、「僕の夢は、モリサキレミと結婚すること」と書かれており、文章の横には、礼美の部屋の飾り窓とそっくりな絵が添えられていた。

湯川（福山雅治）と薫（柴咲コウ）は、栗林（渡辺いっけい）から、ある事件について相談を持ちかけられる。事件が起きたのはいまから半年前のこと。栗林の友人で、食品加工会社を経営する菅原（塚地武雅）は、静子（深田恭子）と結婚してすぐに、飲食店で知り合った冬美（桜井千寿）という女性と浮気をしていた。そんなある日、菅原のマンションに、大学時代の後輩・峰村（佐藤重幸）が遊びにきた。そのとき、菅原の携帯電話に冬美から電話が入る。冬美は、何故か向いのマンションの一室におり、結婚してくれないなら死ぬ、と菅原に告げると、菅原が窓越しに見ている目の前で、ロープで首を吊って自殺を図ったのだという。この一件が原因で、菅原は、静子から離婚を言い渡され、多額の慰謝料を取られていた。だが、この事件には不思議な点があった。実は菅原は、冬美が自殺する1週間前、同じ部屋で女性が首を吊るのを見た、というのだ。その日、菅原は、出張だと嘘をついて、同じマンションに住む友人の部屋でAVのDVDを見ていた。深夜2時ごろ、カーテンを閉めようとした菅原は、向かいのマンションの一室で、女性が首を吊るところを目撃したのだという。ふいに部屋の電気が消えたこともあって、その女性が誰だがわからなかったらしいが、菅原は、一緒にいた友人にもその話をしていたらしい。栗林は、菅原が冬美の自殺を予知していたと主張するが・・・。

湯川（福山雅治）は、薫（柴咲コウ）からの依頼で、料理研究家殺人事件の捜査に協力する。事件が起きたのは、管内の雑居ビルにある料理教室だった。被害者は、経営者のひとりでもある女性で、共同経営者が帰宅した後、教室で残業をしていたところを、侵入してきた男にメッタ刺しにされて死亡したのだ。犯人と思われる男は、不審な物音に気づいた警備員に発見され、逃亡しようとした際に窓から転落して死亡していた。両者の間には接点がなかった。だが、事件の1カ月ほど前、被害者が最寄りの警察にストーカー被害の相談に訪れていたことから、事件はストーカー殺人と見られていた。が、実は薫が湯川に相談したかったのは、事件そのものではなく、被害者の妹・千晶（釈由美子）の奇妙な証言についてだった。千晶は、姉がストーカーに悩まされていることを知って心配し、度々、姉の部屋に泊まりに行っていたのだという。事件のあった夜も、千晶は姉の部屋で帰りを待っていた。そのとき千晶は、窓の外から、姉が室内をのぞきこむようにしている姿を目撃したのだという。しかし、すでにそのとき、自宅から30キロも離れた料理教室でその姉は死んでいたのだ。薫から事件の詳細を聞いた湯川は、テレポーテーション―ごくわずかな時間、あるいは瞬間的に人や物が長距離を移動するという現象は世界中で報告されている、と言うと、この一件に強い興味を示す。

湯川（福山雅治）は、薫（柴咲コウ）から、帝都大学の卒業生が巻き込まれた事件の相談を受ける。文化祭で防犯に関する公開授業を行うために管内の中学校を訪れた薫と弓削（品川祐）は、生徒が展示した“ゾンビのデスマスク”という石こうの仮面を見つける。するとそこに、藤川伸江（泉晶子）という女性が現れ、この顔は失踪した自分の息子に間違いない、と言い出したのだ。仮面を制作した生徒によれば、展示した仮面は、自然公園の池で拾った金属製の仮面を型にして作ったものだという。自然公園を調査した薫たちは、池の底に沈んでいた男性の遺体を発見する。被害者は、帝都大学原子力工学科の卒業生で、医療機器メーカー勤務の藤川雄一（坂本真）。藤川の額には銃痕があった。湯川は、死体の顔型が池に浮かぶという現象に興味を抱き、薫とともに自然公園を訪れる。その池は、不法投棄が跡を絶たない場所だった。するとそこに、監察医の桜子（真矢みき）から連絡が入り、藤川が放射線被爆していたことが判明する。別の日、薫たちは、藤川が勤めていた会社を設立したのが、帝都大学原子力学科の元教授・木島征志郎（久米宏）であることを知る。そんな折、薫たちを訪ねてきた警視庁の草薙（北村一輝）は、1カ月半ほど前に龍仁湖で起きたボートの爆発事故の話を切り出す。そのときに発見された成人男性の肉片から、被害者が放射線被爆していたことがわかったというのだ。

湯川（福山雅治）は、かつての恩師・木島（久米宏）を訪ねた。草薙（北村一輝）からの連絡で、自然公園で発見された射殺体と、龍仁湖で起きた爆死事件の被害者がいずれも木島の会社の社員であることを知った湯川は、事件のことを切り出す。湯川は、どちらの事件の被害者も放射線被爆していたことから、中性子を100％反射する幻の合金の研究をいまでも続けているのではないか、と木島に問いかけた。それは軍事利用も可能な素材で、湯川は、木島が帝都大の教授だったころ、彼の下でその研究をしていたのだ。同じころ、湯川研究室を訪ねた薫（柴咲コウ）は、栗林（渡辺いっけい）から、湯川と木島の関係を教えられる。栗林は、木島が大学を解雇されたのはおそらく湯川の告発によるものだ、と告げると、これ以上湯川は木島に関わるべきではない、と薫に訴えた。その話にショックを受けた薫は、湯川からの電話にも出ようとはせず、弓削（品川祐）とともに木島の会社を洗い直す。その夜、薫の元に湯川がやってくる。電話に出ない理由を問われた薫は、湯川に迷惑をかけたことを反省した、と答え、その場から立ち去ろうとする。それに対して湯川は、これ以上薫には関わらない、としながらも、今回の事件の謎は自分の手で解明する、と宣言する。ところがその翌日、木島の秘書・京子（本上まなみ）が、ふたつの事件は自分の犯行だという遺書を残して自殺する。薫は、その死に疑問を抱くが・・・。