《神探伽利略》以物理学家汤川学协助警方破案为主线。女警内海薰在调查案件时，常遇到一些超自然现象或难以解释的谜团，于是求助于帝都大学物理学教授汤川学。汤川学凭借其天才头脑和对科学的敏锐洞察力，解开了一个又一个看似离奇的案件。比如在某起案件中，出现了人体自燃现象，众人皆感困惑，汤川学却通过对现场的细致勘查和科学分析，发现了背后隐藏的化学原理和凶手的作案手法。还有一起案件，嫌疑人利用光学原理制造不在场证明，汤川学凭借专业知识识破了这一诡计。汤川学与内海薰在合作中，碰撞出奇妙的火花，他们的互动也为剧集增添了不少趣味。