Medical Investigation mostra a rotina de uma equipe de médicos do NIH, responsáveis por controlar epidemias de doenças mortais. A equipe é liderada pelo Dr. Stephen Connor, um dedicado médico que já salvou a vida de milhares de pessoas, mas que se afastou de sua família devido ao trabalho. Dr. Connor conta com a ajuda da Dra. Natalie Durant, uma perita em patologia e epidemiologia que freqüentemente questiona suas decisões; o inspetor de saúde e amigo Frank Powell; o mais novo integrante da equipe Dr. Miles McCabe, que tenta provar sua capacidade e Eva Rossi que faz de tudo para manter as crises longe da imprensa.