驚異的な記憶力と鋭い洞察力を持つ薪剛（板垣李光人）は、科学警察研究所の法医第九研究室、通称“第九”の室長に任命され、大学時代からの親友で副室長の鈴木克洋（中島裕翔）とともに、新たな任務に就くことになる。

第九では、凶悪・重大犯罪において被害者および犯人が死亡した際、その脳を特殊なMRIスキャナーにかけ、生前の記憶を映像化する「MRI捜査」を行う。脳科学者の貝沼清孝（國村隼）が開発したこの技術により、真相を明らかにできる可能性は高まったが、一方で倫理的な問題もあるため、第九は機密組織とされていた。

ある日、薪と鈴木は、警察庁長官の指示により、第九初となる死刑囚の脳を調べることになる。被告の露口浩一（光石研）は6年前に妻と次女、義母の3人を刺殺。長女の絹子（夏子）は殺害後に海に投棄したとされ、死刑が確定していた。しかし、露口のMRI映像には目を疑うような光景と共に、思いも寄らぬ事実が映っていた――そして同じ頃、とある交番では20代の女性が保護されて…。