《孤獨實驗室》講述了心理學教授喬安亭十三年前出人意料地與丈夫葉升離婚並辭職,獨自一人遷居異鄉開辦了一家心理醫療診所“孤獨實驗室”,以此為掩護追查殺害自己女兒的兇手蹤跡。一直獲得喬安亭資助的心理繫學生佟瑤在大學畢業後,成為她的得力助手。對這起線索極少、且年代久遠的塵封舊案,警方也一直沒有放棄追索。曾獲喬安亭的幫助且關繫日漸升溫的警察方遇也是其中之一。經過十三年的追查,喬安亭終於查找到了犯罪嫌疑人的線索,警方也積極介入。就在此時,鎖定的嫌疑人卻被人殺害,一並遇害的還有喬安亭教授,案件一時失去頭緒。佟瑤與方遇在傷心之餘,繼續追查兇手的下落與案件真相……