物理学者・湯川学が難事件に挑む東野圭吾原作「ガリレオ」シリーズ劇場版第3弾。事件の全貌が明かされるにつれ、人物個々の意外性が露わとなる展開の妙に加え、柴咲コウの久々のシリーズ復帰も話題を集めた。警視庁の内海（柴咲コウ）の頼みで湯川（福山雅治）は、友人の草薙（北村一輝）の担当事件で黙秘を貫き放免された蓮沼（村上淳）に、再び容疑のかかる殺人事件に捜査協力するが、被害者関係者全員にアリバイがあるパレード中に蓮沼が殺される。

手つかずの美しい海が残る玻璃(はり)ヶ浦。そこでは海底資源の開発計画を推進する企業側と、環境保護グループが意見を衝突させていた。地元の住民も賛成派・反対派に分かれ、町全体がこの問題に大きく揺れ動いていた。開発計画の説明会にアドバイザーとして招聘された湯川（福山雅治）は、川畑夫妻（前田吟、風吹ジュン）と、その一人娘・成実（杏）が細々と経営する旅館「緑岩荘」に滞在することになるが…。

天才数学者が愛ゆえに犯した完全犯罪に“ガリレオ”こと湯川学が挑む。東野圭吾の直木賞受賞の傑作感動ミステリーを、大ヒットＴＶシリーズ「ガリレオ」のスタッフ・キャストで映画化。福山雅治、柴咲コウらTV版のキャストが続投した。内海刑事（柴咲コウ）の管轄内で男性の死体が発見される。やがて身元が判明し元妻・靖子（松雪泰子)に容疑がかけられるが、彼女には完璧なアリバイがあった。内海らはさっそく“ガリレオ”こと湯川学（福山雅治）に相談をもちかけるが、偶然にも、靖子のアパートの隣に住む石神（堤真一）が、湯川の学生時代の無二の親友だったことが判明する。