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2007年秋季热播的《神探伽利略》此次时隔近6年以续作的形式回归。
东野圭吾原作的《伽利略》系列中的《侦探伽利略》以及《预知梦》已在上部中呈现出来，而此次续作的原作是《伽利略的苦恼》、《圣女的救济》、《虚像丑角 伽利略7》以及《禁断魔术 伽利略8》这几部。
主人公汤川学（福山雅治）是帝都大学理工学院物理系的副教授，他外表俊朗、头脑聪慧，是女学生中的人气王。但与此相对，性格中却有着讨厌孩子、爱摆道理的一面，因而被周围的人称为“怪人伽利略”。而此次续作中的新搭档是由老搭档内海薰（柴崎幸）介绍的新手女警案谷美砂（吉高由里子）。案谷毕业于帝都大学，自尊心强、争强好胜，极富个性。这对新搭档，究竟又将如何通过合作解决一起起离奇案件？