Bác Sĩ Trinh Thám xoay quanh câu chuyện của Doh Joong Eun, một chuyên gia giải quyết vụ án tai nạn lao động nổi tiếng. Sau khi kết hôn, cô từ bỏ sự nghiệp để chăm lo cho gia đình.
Tuy nhiên, mọi thứ thay đổi khi cô phát hiện chồng mình ngoại tình. Quyết định ly hôn, Joong Eun quay trở lại với công việc “nữ hoàng phá án” của mình. Lần này, cô không đơn độc vì có sự hỗ trợ của chàng bác sĩ đồng nghiệp Huh Min Ki.
Cùng nhau, họ điều tra và tìm ra sự thật đằng sau các tai nạn công nghiệp và sự cố tại các khu công nghiệp. Tất cả những bí mật này có liên quan đến Tập đoàn TL, một tổ chức muốn che đậy sự thật.
Qua hành trình phá án, Joong Eun và Min Ki hé lộ những bí mật choc động và đưa ra công lý những kẻ đã gây ra tội ác.