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花岡靖子與女兒美里一同住在公寓裡兩人相依為命，某天靖子的前夫富樫慎二突然造訪，不管搬到哪裡前夫都像瘟神一樣地會找上門來，和前夫發生激烈衝突的靖子，一不小心將前夫殺死。面對今後該何去何從的兩母女，鄰居天才數學家的石神出手救了她們，他以特殊的思考邏輯指示兩母女該如何面對接下來的事。

3月11日在舊江戶川中發現一具屍體，警方斷定這是富樫慎二的屍體，因此展開調查，並對關係人花岡母女進行搜查。然而案情產生膠著，非常苦惱的草薙警官只好再找天才物理學家湯川學來幫忙。

而石神與湯川竟然是大學時代的好朋友，原本只是旁觀者的湯川，終於將石神的犯罪手法給解開了…

本作是改編以[[物理學家]]湯川學為主角的短篇小說《[[偵探伽利略]]》《[[預知夢 (小說)|預知夢]]》的電視劇「'''[[神探伽利略]]'''」的劇場版，而且主演和幕後製作班底都和電視劇相同。 是[[富士電視台週一晚間九點連續劇|月九]]電視劇繼「[[西遊記 (2006年電視劇)|西遊記]]」和「[[HERO (2007年電影)|律政英雄]]」之後第三個電影化的作品。2008年初開始拍攝，同年10月4日上映。另外電影公映當日，[[富士電視台]]播放了「[[神探伽利略]]」的特別篇「'''神探伽利略Φ'''」。

本片是[[福山雅治]]首次擔任電影的男主角，故事基本上忠於原著。雖然本片是承接電視劇的電影版，但是電視劇中的原創角色出現不多，在電視劇中湯川寫下方程式進行推理的場面也沒有出現，跟電視劇的表現方式頗有差距。和原著最大的不同是增加了湯川和石神爬雪山，並在雪山上對峙的劇情。
 湯川學 - [[福山雅治]]
内海薫 - [[柴崎幸]]
 草薙俊平 - [[北村一輝]]
石神哲哉 - [[堤真一]]
 花岡靖子 - [[松雪泰子]]
 花岡美里 - [[金澤美穗]]
 栗林宏美 - [[:渡邊一惠]]
 弓削志郎 - [[品川祐]]
城之内櫻子 - [[真矢美季]]
富樫慎二 - [[長塚圭史]]
工藤邦明 - [[ダンカン（Dankan）]]
村瀬健介 - [[林剛史]]
小淵澤隆史 - [[福井博章]]
森英太 - [[伊藤隆大]]
渡邊美雪 - [[高山都]]
谷口紗江子 - [[葵 (女優)|葵]]
平原瑤子 - [[小松彩夏]]
「扇屋」老闆娘 - [[福井裕子]]
 業餘棒球的督導員- [[中川雅也|Lily Franky]]（[[友情演出]]）
八木亞希子 - 本人飾演
有薗文雄 - [[石坂浩二]]（特別演出）
葛城修二郎 - [[益岡徹]]
 柿本純一 - [[林泰文]]