《孤独实验室》讲述了心理学教授乔安亭十三年前出人意料地与丈夫叶升离婚并辞职，独自一人迁居异乡开办了一家心理医疗诊所“孤独实验室”，以此为掩护追查杀害自己女儿的凶手踪迹。一直获得乔安亭资助的心理系学生佟瑶在大学毕业后，成为她的得力助手。对这起线索极少、且年代久远的尘封旧案，警方也一直没有放弃追索。曾获乔安亭的帮助且关系日渐升温的警察方遇也是其中之一。
经过十三年的追查，乔安亭终于查找到了犯罪嫌疑人的线索，警方也积极介入。就在此时，锁定的嫌疑人却被人杀害，一并遇害的还有乔安亭教授，案件一时失去头绪。佟瑶与方遇在伤心之余，继续追查凶手的下落与案件真相……
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