純正医科大学附属病院の研修医･諏訪野良太 (玉森裕太)。研修医たちは、2年間の初期研修で、様々な科を回り、将来進む道を決める。諏訪野の新たな研修先は、精神科。「精神科の診察は患者さんの話を聞くことから始まる」という指導医の立石聡美 (松雪泰子) から、任された担当患者は山野瑠香 (仁村紗和)。瑠香は、2年間毎月、睡眠薬を過量摂取して入院を繰り返していた。諏訪野は瑠香のカルテから、彼女の行動の秘密を見破る。
諏訪野 (玉森裕太) は新たな研修先の外科で、指導医·冴木 (椎名桔平) のペースについていけずに毎日ぐったり。そんな中、初期の胃がんと診断された患者･近藤玄三 (伊武雅刀) が「これは癌じゃない」と突然手術を拒否して医局は混乱! このまま癌を放っておいたら2、3年で亡くなる可能性が高いというのに、手術を強制することもできず、諏訪野は複雑な心境に…。手術を拒否する近藤の秘密をカルテから見破っていく!
初期研修9か月目、産婦人科で研修を受ける諏訪野すわの（玉森裕太）は、理事長にも平気でたんかを切る元ヤンと噂の指導医・木佐貫きさぬき英子えいこ（斉藤由貴）の下、想像以上にハードな仕事に追われ息つく暇もない。そんな中、切迫早産の患者が運ばれてくる。患者の名は小野おの文香ふみか（矢田亜希子）、妊娠25週目。弁護士で、仕事中に倒れたらしい。 翌日、文香の病室に、病院から連絡を受けた夫・正和まさかず（森田甘路）が駆け付ける。文香の無事を知って安堵する正和に木佐貫が病状を説明しようとすると、文香は「離婚したんです、私たち」と言い、正和に「あなたとは何の関係もない」と冷たく言い放つ。するとそこにスーツ姿の男・岡田おかだ俊一しゅんいち（内藤秀一郎）が現れ…「文香さんと交際している岡田と申します」――。 文香と正和は10年前に結婚。なかなか子どもができず3年前に不妊治療を受け始め、ようやく子どもを授かったものの流産してしまった。正和が“子どもは諦めて2人で生きて行こう”と決めた直後、文香の方から突然別れを告げたという。2人が離婚したのは4か月前。離婚と妊娠の時期の重なりから、正和は「おなかの子は僕の子です」と断言する。
初期研修10か月目、諏訪野すわの（玉森裕太）は裕也ゆうや（矢本悠馬）と一緒に総合診療科で研修中。総合診療科は他の科で診断がつかなかった患者を専門に診る場所。指導医の榊さかき健太郎けんたろう（小手伸也）はシャーロック･ホームズを気取って診断を『謎解き』と呼び、諏訪野と裕也をワトソン扱いする変わり者だ。 そんな総合診療科に、病名不明の患者･工藤くどう香織かおり（堀田真由）がやってくる。香織は勤務先の商社で大きなプロジェクトのプレゼン用資料を作成中に、プレゼンを競う同期の佐々原ささはら雅人まさとから「お互い、がんばろうな」と渡されたコーヒーを飲んだ直後、手指の痺れと四肢の脱力に襲われて倒れた。なぜ発作が起こったのか、救急科、脳神経外科、婦人科で調べても原因が分からないため、総合診療科にやってきたのだった。 「これって、たらい回しってやつじゃないんですか？」と不機嫌な香織のもとに、母・佳代（加藤貴子）が駆け付ける…と、その顔に見覚えのある裕也が「先生？」。佳代は裕也が最近通い始めたパン教室の先生だった。思わぬ場所で顔を合わせた２人は互いを「先生」と呼び合ってややこしい。 榊から心当たりを聞かれた香織は「あいつがコーヒーに薬を盛った」と佐々原の仕業だと言うが、血液検査では毒物を疑う結果は出ていない。香織の勝手な思い込みか、それとも…。深まる謎を前に、榊は諏訪野と裕也に告げる…「君たちだけでこの謎を解決したまえ。解決した方を僕の相棒、ワトソンにしてあげよう」――。
初期研修11か月目、循環器内科で研修を受ける諏訪野すわの（玉森裕太）とみどり（池田エライザ）は、指導医･上林うえばやし晃太郎こうたろう（高橋努）に連れられてVIPばかりが入院している特別病棟の最上階にやって来る。上林から「この患者さんが入院しているのは絶対に口外しないこと」と念を押され、神妙になる諏訪野とみどり。病室に入ると――ベッドの上にいたのは女優の愛原あいはら絵理えり（成海璃子）だ。 絵理の病名は特発性拡張型心筋症。心機能がかなり低下し、補助人工心臓装置につながれているためベッドから動けない。上林が諏訪野とみどりを担当医として紹介すると、マネージャーの横溝よこみぞ美沙みさは「研修医って見習いですよね？」と不満を口にするが、当の絵理は「どうせここはアメリカに行くまでの待機場所だし」と無関心。「日本じゃ、私の病気、治せないでしょ」と言い放つ絵理は、アメリカでの心臓移植を希望しているのだ。絵理の本名が『四十住あいずみ絵理えり』だと知ったみどりは、同じ苗字の沙智さち（豊嶋花）の顔を思い浮かべる。 「ご家族に連絡は？」とみどりが聞くと、横溝は、入院していることがマスコミにバレないよう万全を期して家族にも連絡していないという。絵理は「とにかく私がここに入院していることは、絶対に誰にも言わないで」――。 諏訪野たちが絵理のカルテを開いて「やっぱり沙智ちゃんのお姉さんだよ」と確認していると、「カルテは俺が書く」と上林。VIP患者のため上林自ら書くようにと病院長のお達しらしい。上林の話では、絵理の手術には億単位のお金が必要で…「我々の任務は平穏無事に彼女をアメリカへお送りすることだけ」と上林は言う。
諏訪野 (玉森裕太) と谷川 (YU) の研修先･小児科にやってきたのはぜんそく患児･姫井姫子 (金子莉彩)。「この病院、怖い。魔女がいるから」と謎の発言をし、病室から何度も姿を消す! 3年前にも小児科で相次いで患者が姿を消したという都市伝説が。無表情で気配がなくとにかく不気味な指導医･志村雄一 (勝村政信) が患者を洗脳していたという噂も!? 姫子が病室から何度も消える本当のワケとは!? カルテが導く答えとは…!
救命救急科で研修を受ける諏訪野 (玉森裕太) と牧村 (濱津隆之) は、指導医·柚木慧 (観月ありさ) の下、急患の対応に追われる。その中の一人、患者·秋田竜也 (やべきょうすけ) は自ら救急要請して搬送。突然けいれんを起こしたり、気を失ったり、原因不明の意識障害を繰り返す! それには何やら目的があるようで…。そんな中、裕也 (矢本悠馬) の誕生日パーティーで怪事件発生!? そして諏訪野に関する重大な事実も明らかに―!!
諏訪野 (玉森裕太) と橘 (堀未央奈) の研修先は皮膚科。指導医の桃井佐恵子 (りょう) はおっとりと優雅な立ち振る舞いで身だしなみに厳しい。そんな皮膚科に運ばれてきた患者･守屋春香 (山崎紘菜)。右足に大やけどを負った春香は、調理中に誤って揚げ油をこぼしたと説明するが…同じくして街では連続放火事件が発生! 犯人の特徴が春香に酷似! 諏訪野は担当患者を信じ切れるのか!? そして広瀬 (原田泰造) に衝撃的な出来事が!
諏訪野 (玉森裕太) の研修先は腎臓内科。指導医の大賀寛太 (片桐仁) と担当患者·桐生鈴音 (植原星空) の元へ。彼女は腎臓移植を控えており、移植後にホテル御曹司と結婚を予定。しかし移植手術が決まるたびに謎の異常で延期に!? 一方、末期がんが判明した広瀬 (原田泰造) に、同期の冴木 (椎名桔平) と立石 (松雪泰子) は―。そして諏訪野にも大きな決断の時がやってくる! 親子である諏訪野と広瀬の関係はどうなっていくのか―。
ついに最終回! 諏訪野 (玉森裕太) 最後の研修先は緩和ケア科。指導医の窪啓太郎 (高嶋政宏) から末期ガンで死期が迫る広瀬 (原田泰造) の主治医に任命される。さらに突然現れた刑事の桜井 (山崎一) から広瀬が実の父親だと知らされる諏訪野! 明らかになる親子の過去…近づいてくる父との別れ…。医者として、息子として、諏訪野にできることは―。そして研修医たちが進む進路は!? 2年間の集大成、最後の研修が始まる―!!
