《嫌疑人X的献身》围绕着数学天才石神和邻居靖子展开。靖子与女儿相依为命，却因不堪前夫富樫的纠缠，失手将其杀害。石神得知后，决定帮助靖子洗脱嫌疑。他凭借着过人的逻辑思维，设了一个匪夷所思的局。警方在调查过程中，遇到了石神昔日的好友——物理学家汤川学。汤川学察觉到案件背后隐藏着不寻常的真相，开始与石神展开一场高智商的较量。随着调查深入，石神为了保护靖子，不惜牺牲自己，承担一切罪名。然而，汤川学最终还是揭开了真相，靖子也在愧疚中选择自首，石神的苦心终究还是没能换来完美结局。