明真附属医院一方面因为人才的流失以及医疗诉讼的增多而逐渐经营恶化，另一方面成为明真大学新任校长的鬼头笙子（夏木麻里）为了充实外科队伍招揽更多优秀的人才而把朝田龙太郎（坂口宪二）和加藤晶（稻森泉）邀请了回来。终于，“医龙”队再次复活，不过，麻醉医生荒濑(阿部真夫)传闻因1年前在下属医院手术中出现了医疗事故所以没参加。在这样的状况中，制造了经营恶化的主要源头野口贤雄（岸部一德）突然从美国回国。拿着“顺手携带的礼物”于医院里出现。
内科医生黑木庆次郎（远藤宪一）仅仅花了45分就结束了朝田龙太郎（坂口宪二）他们需要3小时以上的手术。黑木是野口贤雄（岸部一德）从美国召集来了的导管治疗专家。加藤晶(稻森泉)，对把野口向鬼头校长（夏木麻里）提议的导管部门的强化和外国的富裕层作为目标推进医学旅游观光事业作为明真的改革方案，表示不安。伊集院登(小池彻平)觉得外科医生变得没有必要，使之招募着不安。来看望住院的父亲的根岸纱江（松下奈绪）突然倒下了。检验的结果，判明纱江是重度心房中隔缺损症。加藤劝赶快手术。不过，纱江2周后要举行婚礼，希望手术延期。知道情况的黑木访问纱江的病房，劝她进行导管手术，手术需要2小时，并且术后3日能出院，纱江选择导管。可是，从加藤听了导管的风险很高的未婚夫山口（长谷川朝晴），希望选择纱江选择朝田的手术。纱江为了安慰癌症末期的父亲。所以要穿着妈妈的婚纱，但是婚纱很低胸，希望不能留下疤痕。朝田为了不能留疤痕的高难度手术正在彩排。等候手术的前夜，黑木再次访问纱江。
在名真导管介入治疗渐成主流，导管介入的患者数激增。伊集院和木原已经到了被内科医代替值班的地步。胸外科心脏外科手术预定表上一片空白，加藤难掩焦急。鬼头告诉加藤为了取得IMA资格认证要招集世界前五名的心脏外科医生进行公开手术表演，为了得到挽回医龙团队的机会，加藤表示要让朝田进行手术，暗地里野口在谋划黑木的手术。另一方面，伊集院在诊察中发现15岁的少女山内遥需要做大动脉瓣置换手术。加藤为了进行这个最高难度的手术，向鬼头提出进行公开手术表演。从美国来的优秀护士北川响（初音映莉子饰）被召入队，康复后加入黑木手术的荒赖被召回，加藤着力促进着手术的准备工作。同时，野口和黑木也偷偷找到了替代遥手术的，适合公开手术的病人。朝田得知遥对于要在大屏幕上让很多人观看自己的手术心存疑虑，劝加藤尊重遥的意见，但一心促成手术的加藤听不进去。加藤以如果不接受公开手术就会更换主刀医生为由，使遥被迫同意了手术。不顾遥的感受，因大手术而士气高涨的团队，终于迎来的手术。
伊集院同学被扔到ER觉得自身价值得不到实现，然而他在ER对某位病人的成功救助使明真获得IMA许可成了板上钉钉的事，也因此加藤成功获得挽回胸部心脏外科的机会。于是加藤后来看见伊集院的时候夸赞他，伊集院正不好意思的客套的时候。我们眼尖的加藤姐姐瞅见了路过的朝田，于是两人很快blahblah的开始聊天讨论手术，加藤姐姐更是很开心地要朝田在手术中加油。伊集院同学再度被忽略在背景中。
因为就救下了欲跳楼的患者，朝田被运送往急救室。心脏瓣膜损伤，心脏血液逆流。但是，加藤在为重症患者手术，而心脏外科的医生没有谁能出来做这个手术。黑木听到了这个消息，对伊集院说去吧。伊集院向急救室飞奔，如果不马上进行手术，心脏将再度进一步损伤，朝田濒临死亡。貌似藤吉要伊集院为之做手术。但是，伊集院却说“我办不到，我已经不是医龙队里的一员了。”于是，藤吉说：“朝田为了你能回归的那一刻，打磨了你的持针器，他到现在仍一直把你当做医龙队的一员。”也正是藤吉的这一番话，坚定了伊集院的心。“无论如何都要救回朝田”。于是医龙团队大家一起为朝田做手术，伊集院作为主刀医，开始手术。
朝田龙太郎发现小男孩真锅彻要跳楼，连忙一路狂奔上天台阻止，没想到人救到了，自己却从15楼直坠而下，心脏二尖瓣、三尖瓣腱索断裂，眼见丧命在即，加藤晶又正在处理别台手术、无法分身，伊集院在藤吉的苦劝下，想到以前朝田的教悔，决定硬着头皮主刀，即使旁边的大多数人都不看好他的技术。尽管实际情况比想像更恶劣，伊集院还是顺利先完成二尖瓣的修复，正要进行下一步时，对他没有信心的校长鬼头笙子赶来阻止：“你做不了瓣形成，如果因处理不当让他死了，你要怎么负责？”当所有人犹豫时，加藤跟麻醉师荒濑总算赶了过来，但是加藤决定相信伊集院，让他继续主刀，无视鬼头的命令：“这个团队的负责人是我，我会承担一切责任！”，随后伊集院不负众望，再度完成这个超高难度的手术；走出手术室时，伊集院得到同伴的鼓励跟赞赏，想起刚刚经历的事，心有余悸的他这时才发现腿都软了。 经过这次事件，伊集院决定向黑木庆次郎请辞，重新回到心脏外科，因为他想重新相信一次“团队”。黑木庆次郎的过往在藤吉口中娓娓道来，15年前一件医疗事故让当时身为第一助手的他背了黑锅，而且死者还是最相信他的未婚妻，让他从此对心脏外科深恶痛绝，更对所谓“团队”嗤之以鼻，所以他放弃了外科，改而转攻心导管介入手术。因为手术成功，所以鬼头并没有处罚违抗命令的加藤，只是口头警告她，但随后说了一句意味深远的话：“他要是不能做手术，也就是一个普通病人”，如果朝田的意识不能恢愎，那他就没有任何价值可言了，这正是经营者的态度。三天后，加护病房的朝田还在持续昏迷状态，鬼头决定停止心脏外科所有手术，没想到医龙队重新聚首，再度拒绝了命令，因为他们有信心继续工作，而且相信朝田一定会顺利醒过来。朝田醒来的消息让团队兴奋不已，但是命运从来爱开玩笑，因为朝田失忆了，他竟然连“手术”也忘了是什么。
朝田的脑部深蛋白质轻度受损，导致记忆丧失，估计三个星期内才会慢慢恢愎；此时医院刚接下一位病人，怀孕34周的佐藤理惠有系统性狼疮，导致胎儿有先天性房室传导阻滞，当脱离母体时就会因心跳减弱死亡，所以必需在剖腹产二分钟之内帮胎儿植入心脏起搏器，这场大手术预定在三周后实行，到时候需要小儿科、妇产科、心脏外科、护士的齐心协力才能完成。当加藤晶看到病历表不禁一楞，因为理惠的丈夫佐藤修一正是她九年前的未婚夫，只是当时的她选择了事业、放弃了婚姻，不同的是理惠一结婚就选择了家庭，放弃了工作，刚好是两种完全相反的选择，正是因为知道加藤在美国专攻“小儿心脏科”，所以佐藤才会来明真医院向她求助。真锅彻因为自己连累了朝田前来病房道歉，意外让朝田提前恢愎了记忆，让众人又惊又喜，只是如今衰弱的他还没有体力动手术；白天的失败模拟手术过程，加上预定的手术必须提前到明天，朝田势必不能加入，这些事情都一再让加藤心浮气躁，此时的她却看见半夜里，朝田一个人在走道上，跌倒又再爬起，一步一步辛苦的练习着走路。下午一点，手术开始，这次顺利在二分钟内完成预定手术，却没想到胎儿出现中毒的迹象，原来胎儿身上还有动脉导管闭合异常的问题，但是因为刚出生的胎儿不能使用人工心肺，所以正常的主动脉重建会有困难，加藤一时也束手无策，这时朝田赶来提醒可以使用锁骨下动脉瓣动脉成形术“Blalock-Park”，回过神来的加藤有了更好的想法，她决定用另一种更适合现况的“Subclavian flap ”，成功完成了二次手术，救回胎儿的性命，主动脉重建手术宣布成功。校长室的鬼头收到了一个国外寄来的盒子，里面装的是一大套俄罗斯的玩偶，上面画的人物肖像赫然就是野口，里面还藏了一张纸条：“我会回来的！” ；当病床上的朝田拿起手术的尖嘴夹正要练习时，才发现致命的危机，自己的右手竟然酸弱无力。
朝田右手持手术刀会发抖，经过双叶大学脑神经外科检查结果是“PTSD /创伤后压力症候群”，简单说这是一种经过重大挫折后产生的心理创伤，心病只有心药医，没有任何其它方法可以治疗；原来八年前，朝田曾经在非洲战地MSAP 难民营，因为救治一位误踩地雷的小孩，背部受了重伤昏倒，结果因无法操刀导致小孩死在眼前，那一幕影像在他心里重重留下阴影，他把内疚埋藏在心底，只是如今无预兆的爆发出来。真锅彻最佳的治疗方案是等待心脏移植，但是因为并发症- 扩张型心肌症(DCM) 提前发作，让他的情况再度恶化，缓解的方案是实行“乳头肌拉近手术”，朝田几经进行手术模拟还是无法克服发抖的问题，只好在开刀的前一天低头道歉，承认自己还没恢愎，改由加藤晶担任主刀，伊集院担任第一助手，而朝田本人则担任第二助手。尽管手术过程中朝田一度恍神，加藤的手术仍然非常成功，不料就快要完成时，肾上腺素输管被粗心大意的实习医生撞掉，导致还没缝合的真锅彻血压降低、心跳顿时停止，而重启人工心肺需要的时间根本来不及重来一次，最后加藤也只能无奈的听天由命，朝田想到手术前医龙队同伴跟小彻曾经对他说过的话，右手停止了发抖，他不顾加藤众人的质疑，决定在左心房直接开刀，用“重叠法”进行“左心室成形术”，当麻醉医问他有没有把握时，朝田：“有这个团队在就行，我可是朝田龙太郎！”，他果然用超快的速度，在一个血液循环内完成手术救回了小彻。黑木庆次郎在亡妻的坟上拜祭，巧遇了藤吉圭介，说起了15年前的事故，藤吉劝他把心思放在未来，而不要老是纠结在过去，这样才对的起死去的人，当藤吉离开时，却没有看见黑木庆次郎嘴巴流下的鲜血。这一天要结束时，明真医院来了不速之客，野口戴着毛帽，拖着行李出现在医院大厅，形态从容的他用俄语说出：“好久不见”，宣告他正式归来。
黑木庆次郎隐瞒了自己的病情，在一次介入手术执行过程精神不集中，导致病人上行主动脉瘤破裂，性命危在旦夕，不承认出错的他愣在当场，却完全不想找心脏外科的人帮忙，没想到藤吉早一步看见情况不对，紧急请了医龙队前来支援，结果朝田一边进行主动脉置换术，一边同时要求黑木进行主动脉瘤腔内修复，两个人第一次协力合作，共同救回了病人。 高濑清是黑木15年前港北医院的同事兼好朋友，更曾经是他相信的医疗团队一员，只是团队最后共同背叛了黑木，让他背上未婚妻医疗事故的黑锅，如今高濑找上门请求帮忙治疗妻子春香的心脏病，本想拒绝的他在朝田影响下，放下了成见，亲自向朝田要求协助；不久后黑木在双叶中央医院的病历表被伊集院发现患有白血病的黑木病情发作，终于不支昏倒。从俄罗斯归来的野口带回新计画“医疗特区推进原案”并没有得到鬼头笙子的认同，只是她没想到这只是简单的试探；董事会议上，野口提出了紧急动议，事先串连了所有理事的他，取而代之当上了新校长。让鬼头在完全措手不及的情况下黯然退场。第一个俄罗斯病人莉迪亚即将来日本进行“医疗旅游”，她是世界级的钢琴家，预定12月10日在明真医院进行“三瓣膜手术”，正好跟高濑春香的“主动脉弓基底部置换术”同一天，加藤晶反应人手根本不够，而朝田却早有了打算，他找回了以前的北洋医院同事外山诚二、野村博人帮忙。
黑木庆次郎因为白血病发作，昏倒在医院被荒濑发现，清醒过来时才对朝田坦白承认已是无可治疗的末期，他现在现在最大的希望就是朝田能尽全力帮助高濑春香，这也让新任校长野口发怒，因为俄国钢琴家莉迪亚身份更为尊贵，可惜朝田不给面子，坚持两边都是同样重要的病人，不会因此偏心任何一方。手术分两边进行，第一手术室由朝田、伊集院、北川响、荒濑负责治疗高濑春香，进行“主动脉根部置换术”及“全主动脉弓换置术”；第二手术室由加藤晶及北洋医院的外山、野村负责莉迪亚，进行自体瓣膜的“三瓣膜修复术”。第二手术室第一助手外山使用了激烈的方法来去除钙化的部份，引起骚动，还好胸有成竹的他很快完成了“主动脉瓣”的修复，两台手术都进行顺利的此时，外面却传来另一个消息，春香的女儿高濑惠赶来医院送亲手织的围巾，因为激烈动作导致“肺栓塞”，即血块阻塞了肺动脉！而进行血栓摘除需要“人工心肺机”，问题是医院内的两台人工心肺机都正在使用中，即使想从别的医院调用，时间也赶不上。 由于春香正处于低温循环的假死状态，可以空出30分钟的人工心肺机，朝田立即要求伊集院在30分钟内完成血栓摘除，没想到当伊集院刚接手，高濑惠就心跳停止，电击、心脏按摩却没有发生作用，此时黑木闯了进来，体力不佳、一边发抖的他用“心肺辅助法”帮忙插入导管，总算连接上了机器、恢愎了心跳，接着在倒数10分钟时伊集院完成了右肺动脉的血栓摘除，这才发现血栓竟然已经蔓延到了左肺动脉，问题回到起点，人工心肺机只有一台，是救母亲还是女儿？朝田果断想采取“双重循环”，关掉心肺机一个子泵作为另一个人的主泵使用，就可以暂时实现两个人的体外循环，但这是不合法的医疗行为，手术室内的所有人可能都会面临吊销执照，时日不多的黑木决定担下所有责任，这时又面临另一个问题，这种心肺机的使用方法第一手术室的临床工学技师不会，而第二手术室的野村分不开身，黑木连忙拉了在外面等候的高濑进来，没想到却被野口阻止，因为这会导致明真医院成为医疗特区的污点，鬼头现身挡住了压力，答应保密做为交换条件。宝刀未老的高濑不负所托，第一手术室的母女两人都顺利完成手术，第二手术室也同时宣布成功。手术完成却不见黑木踪影，朝田找到再次昏倒在地的他，黑木：“让我加入这个团队吧”，朝田：“说什么傻话，你早就是这个团队的一员，是我们的同伴！”，就见黑木在微笑中逝去。 尘埃落定，野口辞了明真医院校长一职，改行为“医疗评论家”，而北洋医院跟明真决定进行交流合作，互通人才有无，此时的朝田了无牵挂，趁着加藤、伊集院手术正忙时，悄悄离开，拜祭完黑木后，一个人走进夕阳荒野中。
