神探伽利略：第0章
这部剧场版可看做是系列开篇，帝都大学物理天才汤川学在大学时帮助同学草薙俊平破获了一起案件，从此两人有数不清的关系。大学毕业后，草薙进入警察局任职，这天发生了一起奇怪的密室杀人案，毫无头绪的草薙在回学校请教老师时，无意发现大学同学汤川学已成为了准教授，一番寒暄之下草薙成功邀请到汤川学帮其破案，而在两人的共同努力下，案件被完美破解。
神探伽利略：嫌疑人“x”的献身
这部电影现在分别有大陆版（王凯、张鲁一），日版（福山雅治、柴崎幸）、韩版（柳承范、李瑶媛）3个版本。电影主要讲述了汤川学的一名校友，石神是一名落魄的天才数学家，心里默默的爱慕并守护着隔壁的一对母女，机缘巧合下他发现邻居前夫来邻居处闹事，在争执过程前夫不幸身亡，为了守护邻居，石神制造了一系列的线索以误导警方，而汤川学在巧合之下介入这个案件、调查案件、破解案件的故事。这部剧场版的时间介于第0章与正传之间，时间发生时内海已登场。
神探伽利略第一季第一章：《自燃》
草薙俊平因功升值调离警局，离任前将一起人体自燃案件转交给了新到的同时内海薰，并将内海薰介绍给了大学同学-怪人伽利略，而该人是一名天才物理学家汤川学。作为汤川与内海合作的第一个案件，虽说前期两人有过不愉快，但是最后还是在两人的共同努力下解决了自燃案件。
神探伽利略第一季第二章：《出窍》
内海所在辖区接到杀人案件，根据现场遗留情况推测，基本锁定一名业务员，而该名嫌疑人的不在场证据居然是一名小孩灵魂出窍所画的画，懵圈的内海再次找到汤川寻求帮助，凭借着汤川的细致分析及走访，成功破解本案灵魂出窍真相，替业务员洗脱嫌疑，而警方也顺势找到真正的杀人凶手。
神探伽利略第一季第三章：《灵动》
汤川学生学生姐姐的丈夫失踪了，因此要求内海帮忙寻找。在此过程中意外发现本案不是单纯的人口失踪案件，而是牵扯了第三方其他案件。在内海反馈案件异常情况时，被引起注意的汤川再一次携手内海，在一些列调查后再次破获案件。
神探伽利略第一季第四章：《坏死》
物理天才田上发明了一种武器，且已经过测试，测试之一的案件被内海发现了异常并通知了汤川。原本对内海的到来毫无兴趣的汤川，却因为田上而介入了案件。案件与田上有着千丝万缕的关联，初时本着欣赏同为天才的汤川最终还是介入了案件，与田上在科学上对决，而最终是汤川更胜一筹，面对汤川的碾压，田上最终认罪。
神探伽利略第一季第五章：《绞杀》
内海找到汤川寻求帮助，一破旧酒店发生了密室杀人案件。在走访及勘查现场中，案件引起了汤川的兴趣。在调查过程中发现死者生前购买大量保险，案件指向为他杀，但经过一些列证据的分析及调查，最终破解了案件。这是一宗为了保护家庭孩子的自杀案件。