河边发现一具男尸，尸体的颈部有勒痕，明显是他杀。但由于面容被捣毁，指纹也被烧掉，很难确定身份。经过缜密调查后，警方判定死者是无业者富樫慎二。贝冢北警署的女警官内海薰展开了调查。

内海走访了慎二的前妻花冈靖子。靖子原是一位陪酒女郎，如今在一家便当屋工作，独力抚养着上中学的女儿。离婚后，靖子为了躲避纠缠不休的慎二多次搬家。虽然存在杀人动机，但靖子声称最近根本没有见过慎二，而且她的不在场证明也无懈可击。内海偶然碰到了靖子的邻居石神哲哉，他和汤川学一样也是帝都大学的毕业生。

和汤川讨论案情时，内海提到了石神。原来汤川和石神当年是同学，虽然不同专业但很谈得来，彼此惺惺相惜。一向自视甚高的汤川称讚石神是“真正的天才”。汤川前往拜访了如今在中学里教数学的旧友。然而在接触中，汤川找到了案情的疑点，他认为石神与这桩谋杀案密切相关。

谎言、盲点、心理交锋……神探伽利略向天才数学家设下的难题发起了挑战。

神探伽利略银幕复活

福山雅治联手柴崎幸主演的推理剧《侦探伽利略》以21.9%的平均收视率坐上了07秋季日剧收视率排行榜的冠军宝座。帅哥美女、奇异现象、酣畅淋漓的推理……虽说没有多少打破常规的东西，但各色讨巧的元素汇聚在一起着实吸引眼球。富士电视台乘胜追击，很快投入了续篇的製作。时隔一年，那位帝都大学的物理副教授——头脑明晰、运动万能、外表出众的“神探伽利略”汤川学再度亮相，此番他的舞台不再是电视小萤幕，而是转到了更能发挥他致命魅力的大银幕之上。

电影版的原作故事是口碑绝佳的《嫌疑犯X的献身》。在着名推理作家东野圭吾笔下的侦探伽利略系列中，这是第一部长篇小说。《嫌疑犯X的献身》得奖无数，除了第6届正统推理大奖、第134届直木淘宝网奖之外，还在国内的三个重要推理小说排行榜——“正统推理十佳榜”、“这部推理小说真棒！”“《周刊文春》十佳推理作品榜”上占据了榜首的位置。

在电视剧的最后一个事件里，汤川学与自己昔日的老师展开对决。而电影版里的对手虽说只是个落魄的中学老师，但却是被汤川赞为天才的实力人物，其攻克难度毫不亚于电视剧的最终BOSS。数学天才与物理天才，这两大高手之间的过招胜负并无悬念，而过程的精彩自然不言而喻。有意思的是，电视剧里最常见的噱头——神秘现象并未在电影版里出现。汤川学所要面对的不是物理之谜，而是爱情这个亘古无解的谜题。

福山雅治对峙堤真一

本片的演员阵容完全沿用了电视剧版，带给大家一个充满亲切感的完整的“神探伽利略”世界。

扮演汤川学的依然是多才多艺、气质不凡的福山雅治。福山上一次出演电影还是在二十年前，而且也并非主角，此番成为银幕男主角引来了众冬粉的高度关注。与之搭档的大大咧咧的内海警官仍是柴崎幸。除了这两位，帅气的警局前辈北村一辉、正直可爱的实验室助手渡边一计、总是在吃东西的美女法医真矢美纪，以及帝都大学物理系的研究生们都是熟面孔。

新故事总有新人物，电影版加盟的几位重要人物皆由重量级实力派出演。汤川学的朋友兼对手石神哲哉的扮演者是能够不露声色展现出一流存在感的堤真一。为了塑造好石神的形象，他特地剃短了头髮还染白了一部分前发。片中不仅会有福山和堤叔比拼头脑的斗智戏，还会有两人一同攀登雪山的惊险动作场景。整个案件的关键人物花冈靖子则由凭藉《扶桑花女孩》摘得蓝丝带最佳女主角奖的松雪泰子饰演。

在《嫌疑犯X的献身》首映之日，富士电视台将播出特别电视片《伽利略Ф》。该片根据东野圭吾的短篇小说《坠落》和《操纵》改编，叙述了三年前汤川学首次协助警方破案的经历。

影片拍摄于冬季，由于天气寒冷，摄製过程中困难重重。由于石神和花冈初次见面的回忆场面发生在夏天，松雪泰子不得不在大冬天里穿着短袖拍戏。

本片开头是汤川进行户外大规模爆炸实验的场面，这是在栃木县深山里拍摄的。

大家熟悉的物理学第十三研究室的大型布景从富士电视台摄影棚搬到了成城东宝摄影棚。西谷弘导演十分注重细节，细心的观众可以发现连彩色小杯子都和电视版的一模一样。另外，试验室里的许多器材都是真品，属于不能随便乱动的重要道具。

本片主题曲和电视剧版片尾曲一样，依然由福山雅治和柴崎幸的临时组合“KOH+”承担。福山充当製作人，并负责作词作曲和编曲，而柴崎则是演唱者。这首名为《最爱》的歌风格完全不同于前作《接吻吧》，是抒情的慢歌。