接二连三的爆炸案让生活在东京的人们陷入恐慌之中，行事莽撞的资深刑警茶屋（江口洋介 饰）带领下属追查真凶，结果在某个偏远所在遭遇爆炸事件，随后于现场发现了自称铃木一郎（生田斗真 饰）的神秘男子。
铃木举止冷静异常，茶屋随后拜托有过一面之缘的精神科医师鹫谷真梨子（松雪泰子 饰）对铃木精神状况进行判断。通过极其严格缜密的鉴定，真梨子发现铃木其人全无痛感，各项指标罕见般地平均，行住坐卧极为规律，有如一台精密的仪器。
她和茶屋尝试调查铃木的身世，解开陈列在眼前的谜题。与此同时，绿川（二阶堂富美 饰）和由利亚（太田莉菜 饰）两个疯狂女子监视着铃木、茶屋和真梨子等人的行踪，将事件推向难以控制的地步……
本片根据首藤瓜於的同名原作改编。
剧情版本二：东京近郊接连发生无差别连环爆炸案，搜查此案的警察茶屋（江口洋介 饰）跟踪凶犯绿川（二阶堂富美 饰）查到了其藏身处，不料赶到的时候绿川炸毁藏身处脱逃，茶屋在那里抓获了一名身份不明的男子（生田斗真 饰）。
警方怀疑该男子是绿川的同伙，并看出其行为反常，因而决定对他进行精神鉴定。负责鉴定的精神科医师鹫谷真梨子（松雪泰子饰）对于不表露任何感情的他产生兴趣，为探明真相开始调查他的过去，得知他天生就拥有超越常人的智商和体能，却未被赋予任何人性和感情，是一个人称“脑男”的杀人机器，但真梨子却试图找回他丧失已久的人性。
不久，在一起由绿川策划的爆炸事故中脑男侥幸脱逃，随后为引出脑男，绿川又开始袭击真梨子所在的医院。
绿川究竟为何要引出脑男？真梨子的苦心能否被脑男领会？追踪脑男和绿川的茶屋命运又将何去何从？最终，盘根错节的正义和恩怨将脑男和绿川引向了一场超乎想象的决斗……
幕后花絮：
原作中的绿川是一名33岁的男性上班族。
为演好铃木一郎这一角色，TOMA进行了长达半年的严苛训练，主要包括格斗（自由搏击、截拳道）和身体塑型等内容，饮食方面以野菜为主，啤酒也一并戒掉。在开拍前一个月，TOMA更完全闭关，离群索居，远离喧嚣。其苦心孤诣的“死神之眼”让与其共事的松雪泰子都能感受到其中的恐怖。
TOMA和江口最后一场肉搏战，从早晨6点拍到次日上午9点，长达27小时。
影片开场的大爆炸镜头得到富山县政府全力协助，用作拍摄的六车道公路封锁长达3天，当地有一千多人参与拍摄，另有多辆救护车和消防车严阵以待。按照导演的话说，“一旦失败一千万日元就打水漂了。”
二阶堂富美为了绿川这一角色剃掉了眉毛，正处在青春期的她还必须按照导演的命令减肥，不仅严格限制饭量，甜食也遭到禁止，最终前期拍摄时二阶堂瘦了5 kg。她自曝拍摄期间在等电车时，看见旁边的妈妈怀中抱的小宝宝，会闪过“看起来很好吃”的念头，然后反省果然“很危险”啊。
首映式上，二阶堂坦言这次拍摄经历就是一场噩梦，每天都希望快点结束，在被生田扼住喉咙的一场戏中，她一度昏迷，当时甚至有“大家一起死吧”的念头。
据导演泷本智行回忆，他最初读《脑男》这部小说时，还要追溯到他为《铁道员》（导演：降旗康男，1999）和《光之雨》（导演：高桥伴明，2001）两部戏担任副导演的时期。
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