《孤獨實驗室》講述了心理學(xué)教授喬安亭十三年前出人意料地與丈夫葉升離婚并辭職，獨自一人遷居異鄉(xiāng)開辦了一家心理醫(yī)療診所“孤獨實驗室”，以此為掩護追查殺害自己女兒的兇手蹤跡。一直獲得喬安亭資助的心理系學(xué)生佟瑤在大學(xué)畢業(yè)后，成為她的得力助手。對這起線索極少、且年代久遠(yuǎn)的塵封舊案，警方也一直沒有放棄追索。曾獲喬安亭的幫助且關(guān)系日漸升溫的警察方遇也是其中之一。

經(jīng)過十三年的追查，喬安亭終于查找到了犯罪嫌疑人的線索，警方也積極介入。就在此時，鎖定的嫌疑人卻被人殺害，一并遇害的還有喬安亭教授，案件一時失去頭緒。佟瑤與方遇在傷心之余，繼續(xù)追查兇手的下落與案件真相……