神经外科医生霍思邈因工作繁忙屡屡恋爱失败，感情受挫时，与科室同事美小护的情感发生着微妙地变化，而此时，女演员小芹因母亲生病住院来到医院，霍思邈对她一见钟情，美小护藏起心中真意为霍思邈出谋划策。

为帮助霍思邈追求小芹，师弟郑艾平为小芹的母亲检查，不想真的在她脑中查出肿瘤。面对不一定非手术治疗不可的情况，霍思邈却坚持进行手术，师兄刘晨曦指责霍思邈此举出于私心，是想要在小芹面前表现，两人不欢而散。

刘晨曦以“仁心仁术”受到医生同行和患者的欢迎，他的女儿却身患肾衰竭，正在刘晨曦夫妇焦急等待肾源时，一场车祸让一个女孩濒临死亡，她的肾脏和南南匹配，但女孩的父母拒绝捐献器官，赵文谷过往的追求者——另一个科室的医生决定私自将肾脏取出移植给南南，产生的责任一己承担，而刘晨曦拒绝了这样的做法，为女孩拔管，将女孩完整地还给孩子的父母。霍思邈和郑艾平认为刘晨曦缺乏救自己女儿的担当，然而刘晨曦的话语让两人意识到一颗真正的医者仁心，可刘晨曦女儿却错失了得到肾源的机会。

小芹母亲的手术顺利进行，开颅后众人发现问题严重，这是一个必要手术的案例，刘晨曦意识到自己对霍思邈的误解，诚挚道歉。而随着小芹母亲痊愈，她和霍思邈的感情也渐渐确立，因为和身为演员的小芹缺乏话题，霍思邈求教于美小护，美小护心中虽有隐隐酸意，却仍不动声色地帮哥们儿出谋划策……

神经外科里的故事一直在上演着，形形色色的病人，有人黯然离开、有人知恩图报，有人和解，有人纠结致死。刘晨曦和赵文谷坚守着自己的原则和道德，终感动了上天也得到了好报；霍思邈在经历了跟小芹荡气回肠的激情之后，渐渐明白了爱情的真谛，开始了与美小护的恋情。

他们在自己的生活中成长着，也在和病人的相处中渐渐完善自己的“仁心仁术”。在女儿痊愈后，刘晨曦向着副教授的职务努力着，在跟一个长期不稳定的女病患以及她的家属的纠缠中，郑艾平从一个住院医生成长为一个主治医生，冷若冰霜的护士孤美人，在得了一场大病之后，明白了如何温暖地关爱病人。

这些工作在神经外科的医生、护士，在他们各自的人生道路上经历着一次又一次的成长与升华，在医院的大舞台上完善着医界的“仁心仁术”。