Drama Brain Cooperation berkisah tentang Shin Ha Ru (Yonghwa CNBLUE) yang berprofesi sebagai ahli bedah saraf. Dia berasal dari keluarga dokter dan kaya raya karena harta warisan.
Shin Ha Ru adalah orang percaya diri dan tidak segan bersikap dingin kepada orang yang dia anggap tidak menguntungkannya.
Di sisi lain, ada Geum Myung Se (Cha Tae Hyun) yang merupakan seorang detektif. Karena sikap serta cara bicaranya, tidak sedikit yang menduga jika Geum Myung Se adalah polisi yang korup.
Pada kenyataannya, Geum Myung Se adalah detektif berhati hangat dan melakukan pekerjaannya dengan sepenuh hati. Dia juga sangat mencintai sang istri KIm Mo Ran (Ye Ji Won).
Suatu ketika, Shin Ha Ru dan Geum Myung Se dihadapkan pada sebuah kasus kriminal yang membuat mereka harus bekerja sama menyusun strategi. Selain itu, keduanya juga dibantu oleh Seol So Jung (Kwak Sun Young).