医療ジャーナリストの狩岡将貴（柄本佑）は、ある朝、公園で倒れている女性（浜辺美波）を見つける。女性は素肌にたった一枚、白衣だけを身に着けていた。 幼なじみの内科医・高森麻里亜（瀧本美織）に助けを求め病院へ運び込むと、目を覚ました女性は「白夜」と名乗り、急患に対する外科の診断を誤診だと指摘。その口ぶりはまるで医療関係者のようだったが、驚異的な医学知識とは裏腹に、白夜はそれ以外の記憶をすべて失っていた。 将貴は、友人で刑事の奥村淳平（宮田俊哉）に白夜の素性を調べるよう頼み、ひとまず妹の晴汝（岡崎紗絵）と暮らす自宅へ連れて帰る。 翌日、体調が急変する人を目の当たりにした白夜は、搬送された高森総合病院で医師たち相手に驚きの行動に出る！
白夜（浜辺美波）の正体は依然として謎に包まれる中、巌（石坂浩二）は総合診断協議チーム、通称CDTを立ち上げる。高い診断能力を買われた白夜もチームの一員に選ばれ、将貴（柄本佑）は白夜のサポート役に任命される。 ところが、リーダーの麻里亜（瀧本美織）のほか、メンバーとして名乗りを上げたのは精神科医の西島耕助（片桐仁）のみ。人員不足に悩む麻里亜に西島は、皮膚科医の夏樹拓実（勝地涼）をスカウトしてはどうかと助言するが、夏樹は優秀な反面プライドが高くクセのある人物だった。 その夏樹は、足の腫れが気になり来院した患者を診察していた。症状を見た夏樹は、すぐに細菌による感染症と診断するが、患者のあるしぐさが気になって問診した白夜に「誤診です」と指摘され…。
ようやくメンバーがそろい、CDTが動き始めた矢先、小児科に検査入院していた岡本優馬（森島律斗）が白夜（浜辺美波）と麻里亜（瀧本美織）の前で倒れた。優馬は前日に公園の遊具から落ちて頭を打ったが、検査の結果、脳に異常はなく退院する予定だったという。 早速、CDTのメンバーが集まり優馬が倒れた原因を探ろうとするが、優馬は気難しい性格で問診もままならない。しかし唯一、白夜にだけは心を開いて…。 そんななか、病院に白夜の保護者を名乗る女性がやってくる。行方不明だった白夜との久しぶりの再会に喜ぶ女性をみて、麻里亜も将貴（柄本佑）も白夜の身元が分かりホッとするが、当の白夜は自身の記憶をたどった末に予想外の反応をみせ周囲を驚かせる。
徐々に院内での評価が高まるCDTだが、真壁（小手伸也）率いる外科チームの信頼はいまだ得られず、麻里亜（瀧本美織）はその突破口を探っていた。 そんななか、外科へ配属になった研修医の佐久間（高橋文哉）は、恩師・鳥羽泰三（橋爪淳）と再会。鳥羽は肝臓血管腫と診断され、真壁の執刀で腫瘍の摘出手術を受けることになっていた。白夜（浜辺美波）は検査不十分を理由に誤診だと指摘するが、真壁は聞く耳を持たない。その様子に佐久間は一抹の不安を覚えるが、鳥羽の手術は予定どおり行われ…。 一方、失踪中の勇気（毎熊克哉）から、白夜を詮索すれば自身の命にも危険が及ぶと忠告された将貴（柄本佑）だったが、それでも淳平（宮田俊哉）の力を借りて白夜を連れ去ろうとした人物の正体を探っていた。
グラビアモデルの日比谷カンナ（水崎綾女）が、撮影中に突如錯乱状態に陥り、失神。協力要請を受けたCDTは診断協議を始めるが、その矢先、真壁（小手伸也）からチームの解散を宣告されてしまう。JMAと呼ばれる経営コンサルを招へいし、最新のAI診断システムを活用した“総合診断科”を新設してCDTを排除しようと考えた真壁は、CDTとJMAの診断対決を提案。両チームがそれぞれカンナを診断したが、納得がいかない白夜（浜辺美波）が驚きの結論を導き出す！ 一方、勇気（毎熊克哉）が横領の容疑で指名手配されたことで、将貴（柄本佑）は白夜を連れ戻すために大きな力が働いているのではないかと疑念を抱く。さらに、白夜の携帯電話の通話履歴から、ある番号を見つけて…。
ライバルであるJMAとの診断対決に勝利したものの、依然として解散の危機に立たされているCDT。そんななか、白夜（浜辺美波）はJMA代表の藤島（安井順平）の自宅に招かれ、JMAへの移籍を持ちかけられる。同席した将貴（柄本佑）はその真意を聞き出そうとするが、次の瞬間、藤島の息子・誠（青木凰）が階段から転落し、意識を失っていた。 誠はすぐさま病院に運び込まれるが、強打した頭部ではなく腹部の激しい痛みを訴える。JMAの医師が診断を急ぐなかCDTも診断協議を始めるが、なぜか仙道（高橋努）は姿を見せず、夏樹（勝地涼）と西島（片桐仁）も移籍をめぐって言い争いに。 誠の症状は悪化し一刻の猶予も許されないなか、CDTはチーム発足以来、最も難しい病名診断を迫られる！
「次の誕生日までは生きられない」―。衝撃的な告白に言葉を失う将貴（柄本佑）に、白夜（浜辺美波）は幼い頃からの記憶をぽつりぽつりと語り始める。 一方、麻里亜（瀧本美織）は偶然、元恋人の伊勢崎隼人（時任勇気）と再会する。交際当時は最低最悪な彼氏だったが、今は起業して投資会社のCEOだという。麻里亜は久しぶりに胸の高鳴りを覚えるが、将貴は気が気でなく、白夜もまた、そんな将貴の様子に胸がざわつく。 原因不明の体調不良で各科をたらい回しにされているという隼人は通院を始め、やがて麻里亜に「もう一度やり直したい」と告白。しかし、突然いら立ちをあらわにしたり、翌日にはそのことを忘れていたりと、おかしな症状が続き、ついには不整脈を起こして倒れてしまい…。
巌（石坂浩二）が末期のスキルス胃がんで余命わずかだと知った白夜（浜辺美波）は、寝る間も惜しんで治療法を模索する。ある治療法を発見した白夜と麻里亜（瀧本美織）は院内で唯一成功させられる可能性がある真壁（小手伸也）に執刀を依頼する。 そんななか、CDTは産婦人科医の東堂絵馬（華優希）から、ある患者の子宮内にいたはずの胎児が消えたと相談を受ける。不可解なのは、いまだ妊娠のサインが残っていること。その状況に、メンバーは妊娠ではなくがんの可能性を疑うが、検査の結果、思わぬ事態が発覚する！ 一方、勇気（毎熊克哉）から、白夜の正体を知る手がかりとなる紙を受け取った将貴（柄本佑）の脳裏には、ある考えが浮かんでいた。そこで将貴は、ある人物を訪ねて…。
将貴（柄本佑）が白夜（浜辺美波）にまつわる全ての真相に実業家の海江田（石橋凌）が関係していると確信した矢先、淳平（宮田俊哉）が突然異動を命じられ、晴汝（岡崎紗絵）も何者かに連れ去られそうになる。白夜は、腫瘍が悪化している晴汝にこれ以上ストレスをかけないためにも施設に戻ると言い出し、2人は初めてケンカに。将貴は平穏な日常を脅かす海江田への怒りを抑えきれず、1人で海江田の元へ乗り込む。そこで、ある一筋の光を見つけた将貴は、急いで淳平に連絡。しかし電話口の向こうで、淳平と一緒にいた晴汝が倒れてしまう。 病院に運び込まれた晴汝は脳動脈瘤が破れ、一刻の猶予も許さない状態。再び大切な人を失うかもしれない恐怖にさいなまれた白夜は、かつてないほど取り乱して…
警察の包囲網をかいくぐり手術室にたどり着いた勇気（毎熊克哉）に、晴汝（岡崎紗絵）の命を託した将貴（柄本佑）は、白夜（浜辺美波）と勇気の身に起きた一連の騒動に決着をつけるため海江田（石橋凌）と対峙することを決める。 真相を解く最大のカギは、白夜と同じ“Rh null（希少血液）”の保有者で、難病を患っている海江田の娘。晴汝やCDTのためにも自分の正体を知りたいと願う白夜を連れ、将貴はある作戦に打って出て… ある日突然、白衣一枚をまとって将貴の前に現れた白夜。彼女はなぜこの世に生をうけ、なぜ医療の知識しか持っていなかったのか??、その理由がついに明らかに！そんな白夜が誰よりも慕い憧れる晴汝は、再び笑顔を取り戻せるのか！？そして白夜とCDTの未来は??？
最終話のその後…白夜（浜辺美波）の目標は医学部！愛と笑いの受験前夜にCDTメンバーが熱血一夜漬け授業！珍騒動が勃発！？救急にまさかの患者が…▽あの恋の行方は…！？
