Em Trabalho Cerebral, um neurocientista irônico e um detetive perfeccionista que se odeiam precisam deixar suas diferenças de lado para desvendar crimes surpreendentes. No drama coreano, o neurocientista Shin Ha-ru (Jung Yong-hwa) foi expulso do departamento de pesquisa médica que trabalhava por usar o cérebro de um criminoso para investigá-lo. Então, ele entra para uma nova divisão da polícia coreana criada a partir do crescimento de crimes ligados a doenças e transtornos mentais. A equipe é liderada pela investigadora Seol So-jeong (Kwak Sun-young) e a chegada do novo e arrogante membro do time acaba balançando o equilíbrio do ambiente de trabalho, principalmente para o detetive Geum Myeong-se (Cha Tae-hyun) que logo entra em conflito cocm Ha-ru. Agora, os três precisam encontrar um consenso para desvendarem casos criminais misteriosos e alucinantes.