かつて科捜研（科学捜査研究所）のエースとして活躍していた土門誠（藤木直人）は、ある事件をきっかけに科捜研を辞め、今は自ら開設した『土門鑑定所』を営んでいる。そんな土門鑑定所で研究員として働く高倉柊子（白石麻衣）は学生時代に心理学を学んでおり、仕草や言動から人の嘘を見抜くことに長けていた。しかし高倉でも唯一、土門の心理は読むことが出来ずにいて…。 そんなある日、神奈川県の海岸で水没車が引き上げられた。神奈川県警捜査一課巡査部長･都丸勇人（中沢元紀）と、係長･三浦耕太郎（阿部亮平）が現場を訪れると、車中で白骨化した遺体と貴金属がびっしりと詰められた鞄を発見。残留物から、12年前に発生した強盗殺人事件に関連していると推察した。都丸たちの読み通り、発見された貴金属は12年前に強奪されたものと判明。しかしその後、一ヶ月経っても捜査は進展せず、科捜研の鑑定にも進捗がないことで捜査員たちには諦めムードが漂っていた。そこで三浦は、意気消沈する都丸に対して『土門鑑定所』へ遺体の身元確認を依頼するよう指示。しかし都丸は民間への鑑定依頼に難色を示す。三浦はそんな都丸に「土門誠に鑑定出来ない証拠なら、他の誰にも鑑定出来ない。ついたあだ名は“最後の鑑定人”だ」と告げるのだった。 気が進まない中、三浦の指示通り『土門鑑定所』を訪れた都丸。高倉に鑑定所の応接ルームに通されると、土門を待つ間ハーブ水でもてなされる。しかしそのハーブ水は驚くほどに不味く、どうやら高倉は都丸のリアクションを観察しているようだった。そこに土門が現れ、都丸は事件の概要や依頼内容の説明をはじめる。都丸に対してたびたび偏屈的な態度を見せる土門だったが、「検体を持ってきてください」となんだかんだ依頼を受けてくれるようで…。

鑑定人・土門誠（藤木直人）と研究員・高倉柊子（白石麻衣）は、科学捜査を駆使して12年前に発生した未解決強盗殺人とその関連事件を解決。ところが、それ以降は鑑定依頼が全然来ず、高倉は土門鑑定所の存続を心配していた。対してのんきにケーキを食べている土門は、高倉に「働かせたいなら、興味のある事件を持ってこい」と吐き捨てる始末…。 同じ頃、ある資産家が銃殺された事件が世間を賑わせていた。事件発生当初は歳の離れた妻による遺産目当ての犯行と疑われたが、本人は被害者から頼まれて殺したと“承諾殺人”を主張。センセーショナルな事件としてワイドショーでも多く取り上げられていた。 そんな中、事件の弁護を担当することになった相田直樹（迫田孝也）が土門鑑定所を訪れる。相田は“承諾殺人”を立証するため「被告人の“躊躇（ちゅうちょ）”を証明してほしい」と切り出し、土門に事件の概要を語り出す。殺害されたのは戸部庸三（中村シユン）。庸三は自宅の書斎で死亡しており、手には拳銃が握られていた。二発の銃声を聞いて書斎に駆けつけた庸三の妻・佐枝子（恒松祐里）が警察に通報。警察は自殺の線で捜査していたが、佐枝子の手と衣服から射撃残渣（ほぼ確実に銃を撃った証拠）が検出されたことで状況は一変したとのことだった。 相田は承諾殺人の証明のため佐枝子の“躊躇”を証明したい一方、“躊躇”の証明は科学捜査ではないと呆れる土門。だが、鑑定所存続のためと相田を援護する高倉に押され、しぶしぶ依頼を引き受けることに。土門は事件当日の現場カメラ映像と二発の弾丸の解析をはじめていくが…。

土門誠（藤木直人）と高倉柊子（白石麻衣）の元に、弁護士の相田直樹（迫田孝也）が鑑定依頼にやって来た。相田が弁護を担当するのは、ベトナムから来日した技能実習生のホアン・ヴァン・ギア（井阪郁巳）。彼は自身と実習生仲間が住む共同住宅に放火し、自ら警察に通報し逮捕されていた。現場に残されたポリタンクからホアンの指紋が検出されており、事件当時はホアン以外全員外出していため、彼の犯行であることは明白だった。しかし逮捕以来、黙秘を貫くホアン。 黙秘したままでは弁護の余地がないため、相田は放火に至った動機を調べてほしいと土門に頼む。相田の強い意志に押され依頼を引き受けた土門は、まずは燃焼残渣（ねんしょうざんさ・※燃え残ったモノの分析）を調べてみることに。現場鑑識によって簡易的には済まされていたものの、より精密な検査が必要だと考えていた。 残渣分析を依頼するため、土門たちは科警研研究官・尾藤宏香（松雪泰子）を訪ねる。文句を言いながらも依頼に応じた尾藤によると、カセットコンロなどの燃料として使われるブタンとともに、植物由来のテルペンという成分が検出されたとのことだった。その後、高倉、相田とともに火災現場を訪ねた土門は、ガスボンベの金属片が出なかったことや５人が暮らしていたわりには物が少なすぎることに疑問を持つ。 さらに高倉と相田は、ホアンの技能実習先の社長・黒瀬達夫（片桐仁）に事情を聞きに行く。黒瀬はホアンの放火動機に思い当たることはないようだったが、高倉は黒瀬の仕草に違和感を覚える…。

高倉柊子（白石麻衣）は、相田直樹（迫田孝也）から土門誠（藤木直人）に関する噂話を聞かされる。かつては“最後の鑑定人”と呼ばれていた土門にも唯一解決できなかった事件があり、それが科捜研を辞めた理由ではないかということだった――。 そんなある日、土門鑑定所に西村民代（渡辺杉枝）が鑑定依頼にやって来る。自ら命を絶った娘の遺品鑑定を希望しており、遺品の中に科捜研時代の土門の名刺があって訪ねてきたとのことだった。民代が娘・葉留佳（佐藤めぐみ）の名前を告げると土門は動揺してしまう。というのも、土門は当時捜査一課だった葉留佳と共に、7年前に発生した連続通り魔事件を捜査していたのだ。さらに民代は、葉留佳が亡くなる前日に“7年前の事件の犯人に会ってくる”と電話してきたと明かすと、土門は依頼を引き受けることにする。 民代が帰ると、土門は高倉に通り魔事件について語り出す。通り魔事件発生当初、被害者は怪我だけだったが、犯行は次第にエスカレートしていきついに死者が出た。葉留佳は事件現場近くに住みついていたホームレスの真鍋を疑い、本人も自供したため逮捕。しかし、勾留中に真鍋が供述を変えてしまう。土門も真鍋が犯人だと確証できる証拠を見つけられず、証拠不十分で釈放。誤認逮捕としてマスコミからのバッシングを受けた葉留佳は警察を辞め、土門も科捜研を去った。 調査を始めた土門は、葉留佳の部屋に残された遺品から途中のページが裂かれているノートを見つけ、そこに書かれていた内容を鑑定することに。また、クローゼットの中で不自然に空になっていたクリアボックスから残留物も採取した。一方、高倉は尾藤宏香（松雪泰子）に7年前当時の話を聞き、葉留佳と同僚だった刑事に会いに行く…。

土門誠（藤木直人）と尾藤宏香（松雪泰子）が元夫婦だったことを知った高倉柊子（白石麻衣）は、離婚の原因が土門にあったのではないかと疑っていた。さらに高倉は、反論する土門に対して「尾藤先生と結婚できたのに離婚するなんて理解できない」とまで言い放つ。そんな言い合いをしていると、鑑定所に都丸勇人（中沢元紀）がやってきた。 都丸の依頼は、河原で亡くなっていた糸川翠（池田朱那）が他殺であることを証明してほしいとのことだった。現場と遺体の状況から死因は溺死と断定され、他殺の疑いはないと判断されていた。しかし、翠の素性を知っていた都丸は、他殺の可能性が高いとにらんでいたのだ。 2年前、都丸は仮想通貨関連企業の社長・室田誠治（佐野岳）と翠がドラッグパーティーをしていた疑いで事情聴取。当時は薬物反応が出ず、証拠も不十分だったことから室田と翠を逮捕できずにいた。そんな中、翠が自殺を図る。一命を取り留めはしたが、室田の元から逃げたがっていた。そんな翠に寄り添っていた都丸は、今回の件は事故ではなく室田が何かしら関与していると疑っていた。だが警察の捜査では、今回も翠の遺体から薬物使用の痕跡は見つからなかった…。 土門は科警研を訪ね、尾藤に翠の検体を精密検査するよう頼む。土門の「君が一番信用できる」という言葉にまんざらでもない様子の尾藤は、なんだかんだ検査依頼を受けることに。翌日、尾藤は警察の薬物検査キットには反応しない危険ドラッグが検出されたことを報告。それを聞いた都丸は室田の関与を確信し、改めて翠が他殺だという証拠を見つけて欲しいと土門に頼みこむ。すると土門は、翠の肺と胃に残っていた水のプランクトン検査を試してみることに…。

土門誠（藤木直人）と尾藤宏香（松雪泰子）は科学捜査研究所の所長・加賀正之（佐戸井けん太）から呼び出され、神奈川の山中で発見されたバラバラ白骨遺体の鑑定を頼まれる。土門、尾藤と旧知の仲だった加賀は、定年退職を前に2人が共に手を取り合う姿をもう一度見たいのだという。土門が“鑑定の神様”と敬う加賀の頼みは断れず、尾藤は白骨遺体の鑑定、土門は遺体発見現場の検証を担当することに。 尾藤はすぐさま遺体の年齢、性別のほか死後経過年数や凶器の形状を断定。一方の土門は実際に遺体発見現場に行くと言い、尾藤と共に都丸勇人（中沢元紀）が待つ山中へと向かう。しかし、現場を検証した土門は、遺体の状況と遺棄現場の不自然さに引っかかり…。そんな中、遅れて現場にやって来た三浦耕太郎（阿部亮平）が遺体の身元がいまだ割れずにいることを明かすと、尾藤は復顔をすると申し出る。 その後、尾藤の復顔をもとに警察は被害者として下山征介（井上像策）という男を割り出した。都丸は早速、下山の妻・佳世子（森脇英理子）に話を聞きに行くが、遺体が下山であることの特定には至らず捜査は難航。そこで土門は下山の家に同行すると言いだし、遺留品からDNA鑑定を試みる…。

河川敷で横手紘奈（葉月ひとみ）という女性の遺体が発見された。都丸勇人（中沢元紀）と三浦耕太郎（阿部亮平）は紘奈の元恋人・北尾洋介（濱田龍臣）を任意同行するも、洋介は一貫して容疑を否認。しかし被害者の唾液から検出されたDNAが洋介のものと一致しており、検察官の川原（吉田ウーロン太）は都丸と三浦に送検を急かす。 洋介の弁護を担当する相田直樹（迫田孝也）は土門誠（藤木直人）のもとを訪れ、DNA鑑定のみを証拠とする検察の姿勢に憤りながらも事件の詳細を語り始める。土門は検察側が証拠としているDNA鑑定書に目を通すと、おかしなことに気付く。 鑑定書の原本には２種類の鑑定方法で実施されたことが記されており、補足説明書も存在していた。しかし検察が提出した資料には、２種類のうち片方の鑑定資料と補足資料が抜かれていて、検察側にとって都合の悪い部分は意図的に切り捨てた痕跡があった。土門は検察の横暴に「科学への冒涜だ」と怒りを見せ、鑑定依頼を引き受けることに。 土門は都丸と共に事件現場付近を訪れると、野鳥観察のために定点カメラを設置している男性と出会う。そのカメラは毎晩同じ画角で撮影しているといい、事件当日の映像も記録されているという。早速映像を確認すると、フードをかぶって顔の見えない男が、紘奈に近づく場面が記録されていた。土門は映像を借りて男の歩容解析（歩き方の分析）を行い、洋介とフード男の歩き方を比較していく…。

高倉柊子（白石麻衣）は、研究員として土門誠（藤木直人）の力になろうとDNA鑑定の練習に励んでいた。しかしミスを連発し、土門からは「科学者に必要な繊細さに欠けている」とあきれられてしまう。心ない一言にいつになく落ち込んでしまった高倉は、鑑定所を辞めて実家に戻ることを考える…。 そんな中、相田直樹（迫田孝也）が藤澤薫子（白石美帆）、西脇康文（竹財輝之助）と共に土門鑑定所にやってくる。薫子・康文兄妹の父で『西脇化研』の社長・西脇清蔵（高桑満）が亡くなり、顧問弁護士をしていた相田は清蔵の遺言書を確認した。しかし遺言書は２通存在し、１通は薫子、もう１通は康文へ全株式を移譲するとあった。真逆のことが書かれていたため、相田は遺言書の真偽を鑑定してほしいと土門に依頼する。 高倉は遺言書の筆跡鑑定に必要なサンプルを求めて西脇家を訪れる。清蔵が使っていた書斎のデスクから便箋や万年筆、インク、ノート、そしてボロボロになった写真を借りることに。高倉が集めたノートやインクをもとに、土門は筆跡鑑定と写真修復にとりかかる。便箋も気になる高倉は、土門に筆圧痕の鑑定も提案するが「遺言書の筆跡鑑定には不要」と一蹴されてしまう。 数日後、遺言書はどちらも本物という鑑定結果が出た。2通の遺言書は無効となり遺産は兄妹で均等に分け合うことになるため、薫子と康文は険悪ムードに。そんな兄妹の前に清蔵の娘だと名乗る春日由紀（松岡里英）が現れ、状況はさらに複雑になり…。