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。天才物理学者・湯川学（福山雅治）の元に、警視庁捜査一課の刑事・内海薫（柴咲コウ）が相談に訪れる。行方不明になっていた女子学生が、数年後に遺体となって発見された。内海によると容疑者は、湯川の親友でもある先輩刑事・草薙俊平（北村一輝）がかつて担当した少女殺害事件で、完全黙秘をつらぬき無罪となった男・蓮沼寛一（村上淳）。蓮沼は今回も同様に完全黙秘を遂行し、証拠不十分で釈放され、女子学生の住んでいた町に戻ってきた。町全体を覆う憎悪の空気…。そして、夏祭りのパレード当日、事件が起こる。蓮沼が殺された。犯人は誰か。女子学生を愛していた、家族、仲間、恋人…全員に動機があると同時に、全員にアリバイがあった。そして、全員が沈黙する。湯川、内海、草薙にまたもふりかかる超難問…！果たして、湯川は＜沈黙＞に隠された＜真実＞を解き明かせるのか…！？

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。

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…。