本片根据老舍先生的同名话剧改编。解放前,北京龙须沟是条臭水沟,沟旁住满了各式各样卖力气、耍手艺的下层劳动人民。这些居民经常遭受国民党、恶霸、流氓的迫害和恶劣环境的威胁,生活凄惨。 为人耿直正派的老艺人程宝庆,原在一家茶馆里唱单弦,因拒绝到恶霸黑旋风家唱堂会,被其爪牙打伤,逃到龙须沟居住,靠妻子程娘子摆烟摊过日子。程宝庆满怀忧愤,但人们不理解他,都叫他疯子。只有程娘子忍辱负重,希望丈夫能等到再出头的日子。小恶霸冯狗子抢了程娘子的烟。同院的三轮车工人丁四也受到恶霸欺凌。正直的泥瓦匠赵老头为他们打抱不平,无济于事。不久,丁四的女儿小妞子掉进了脏臭的龙须沟,被淹死了。解放后,龙须沟同北京一起获得了新生。人民政府法办了恶霸流氓黑旋风与冯狗子,治理了龙须沟,龙须沟沿岸人民过上了幸福的生活。。景博专注于学术研究,凭借深厚的科学知识,习惯用科学原理剖析世间万物。徐小丽则在警队中摸爬滚打,凭借丰富的办案经验和敏锐直觉处理各类案件。
一次,警方遇到一起棘手的珠宝盗窃案,窃贼手法巧妙,现场几乎没有留下痕迹。徐小丽在调查陷入僵局时,邀请景博协助。景博运用物理学中的光学、力学原理,发现窃贼利用特殊的镜子和绳索布置了障眼法,成功帮助警方锁定了嫌疑人。此后,他们又合作处理多起复杂案件,如利用声学原理制造不在场证明的谋杀案,以及通过化学物质反应掩盖犯罪痕迹的案件。
在合作过程中,景博的理性思维与徐小丽的感性判断时常碰撞。景博觉得徐小丽过于依赖经验,不够严谨;徐小丽则认为景博过于理论化,缺乏变通。但随着合作深入,他们相互理解、相互学习,不仅携手破获了诸多疑难案件,两人的感情也在不知不觉中悄然升温,在科学与情义之间找到了平衡。。