市立病院で救命救急医として勤務する松岡剛（妻夫木聡）のもとに運び込まれた急患。その患者の症状は新型インフルエンザのものだったが、何かが違っていた。あらゆるワクチンが効かず、やがて患者は死亡した。これは、新たな感染症ではないのか？ 剛の不安は的中し、同僚の医師である安藤（佐藤浩市）をはじめ、医療スタッフや他の患者たちにまで院内感染は蔓延し、病院内はパニック状態に陥る。奇跡的に回復したのは、第一感染者の妻である真鍋麻美（池脇千鶴）だけだった。パンデミックと名づけられたこの謎の感染症蔓延の事態を重く見た世界保健機関は、メディカルオフィサーとして小林栄子（檀れい）を派遣する。彼女は、かつての剛の恋人でもあった。栄子は病棟全体を隔離し、新規患者の受け入れを拒否して、患者の症状によって治療の優先順位を決めていくことを要請する。ウイルスの蔓延は驚異的なスピードで加速していった。患者の数は全国で数千万人を超え、日に日に増加していく死亡者たち。献身的に働いていた看護婦の三田多佳子（国仲涼子）も、夫の英輔（田中裕二）と幼い娘を残して息を引きとった。日本は崩壊寸前にあった。交通機関は凍結され、都市機能も停止した。感染源を特定するため奔走する剛は、ウイルス研究者である鈴木浩介（カンニング竹山）に法を破って検体を提供する。その甲斐あって、鈴木は抗体ワクチンの抽出に成功した。一方、鳥インフルエンザウイルスの権威である仁志稔（藤竜也）と剛は、南の島を訪れる。感染源となったその島の人々はほとんど死に絶え、わずかな子供たちだけで生活していた。自身も末期ガンに冒されて、病とともに生きる道を選択した仁志は、その島に残って治療医となることを決意した。鈴木が開発した抗体ワクチンによって、パンデミックは鎮静した。しかし、同じような事態がまたいつ起こるかもしれない……。