Shaun Murphy est un jeune docteur autiste savant. Il est doté d'une très grande intelligence, mais a également beaucoup de difficultés à communiquer et à gérer les interactions sociales. Rêvant de devenir chirurgien, il intègre en tant qu'interne un service dans le prestigieux Saint Bonaventure Hospital de San José où il est soutenu par le docteur Aaron Glassman, son mentor depuis l'âge de quatorze ans. Celui-ci met son poste de directeur de l’hôpital en danger pour l'engager. Débordant d'optimisme, Shaun suscite vite de l'admiration chez certains de ses pairs mais doit apprendre à surmonter les préjugés de certains d'entre eux concernant son TSA et prouver ses compétences. Confronté en permanence à des dilemmes, il doit également relever le défi de cas stimulants.