De retour d’Asie, Henri Lacombe souhaite reconstruire sa vie en retrouvant sa famille et ses patients à l’Institut. Simone Vallier enquête sur des meurtres de jeunes femmes et fait appel à l’expertise du psychiatre. Cette collaboration les lance dans une dangereuse quête commune. Cerebrum nous transporte dans l’univers complexe et fascinant de la santé mentale, où suspense psychologique et enquête policière sont habilement entremêlés.

De retour d’Asie, Henri contacte Simone, qui enquête sur des meurtres de jeunes femmes, pour discuter du procès de Sophie Bérubé-Lacroix. Sobre depuis 4 mois, Jules Côté n’obtient pas les encouragements espérés de sa mère. Un étrange individu prend contact avec Jules et profite de sa fragilité. De retour à l’Institut national de santé mentale (INSM), Henri est témoin d’une rencontre qui le choque profondément.

Henri recommence le travail à l’INSM et rencontre Nicolas Therrien, un modérateur de contenu aux prises avec des attaques spontanées de panique. Simone et Danno soupçonnent Jules Côté de vouloir du mal au Dr Lacombe. L’enquêtrice Vallier conseille à Henri d’engager un garde du corps. Jules, affolé, cherche dans son entourage qui pourrait se cacher derrière le mystérieux Angel.

Un important incident arrive chez Henri et lui fait réaliser que la menace est bien réelle. Richard Lacroix tente de ramener sa fille Sara à la maison. Henri parle enfin à Richard de sa liaison avec Anne. Angel continue de manipuler Jules par des stratagèmes des plus sordides. Henri reçoit une confidence de son patient Nicolas, ce qui le confronte à ses propres blessures.

Alors qu’Angel continue de terroriser Jules, Simone et Danno perquisitionnent l’appartement de ce dernier. À l’INSM, Henri revoit Diane Ricard, qui a reçu une invitation inattendue, et il rend visite à Xavier Mercier, qu’une tentative de suicide a défiguré. Le psychiatre fait une proposition risquée au jeune homme. Par inadvertance, Simone révèle à Henri une information délicate à propos de Marine.

Simone enquête sur un nouveau meurtre, et Henri ne croit pas que Jules soit le meurtrier qu’elle cherche. Accompagné de Henri, Xavier rencontre la Dre Aberdeen. L’état de Nicolas empire, et le psychiatre tente de l’aider à le reconnaître. Jules n’en peut plus des manipulations d’Angel – qui lui commande un meurtre – et tente de se débarrasser de ce mentor tordu.

L’enquête de Simone et Danno fait du surplace. Henri va à son premier rendez-vous avec Francine. William revoit Laure, ce qui le trouble. Jules finit par obéir à Angel. Pierre fait part à Henri et au Dr Riendeau de son inquiétude sur Jules. Les deux psychiatres s’affrontent sur la participation de Riendeau au procès comme témoin expert. Diane revient apparemment radieuse de ses vacances.

Paule Lachapelle, qui a perdu toute inhibition, fait toute une scène quand sa fille Maryse l’amène à l’INSM. William demande l’aide de Marine pour faire une annonce difficile à son père. Henri se confie à son psychologue, Henri-Martin Chabot. Or, l’attitude insistante de ce dernier sur l’enquête intrigue Henri. Simone n’arrive pas à écarter Jules des suspects potentiels.

Simone enquête sur Henri-Martin Chabot en impliquant Henri dans un stratagème. Le psychiatre essaie d’aider Diane et Lorraine à accepter de s’aimer telles qu’elles sont. Ne voulant pas s’engager trop rapidement, Henri néglige sa relation avec Francine, qui, elle, semble emballée. Jules, complètement anéanti, se retrouve à la rue et seul Pierre arrive à le ramener chez lui. Jules se décide à tout avouer.

Tout le monde est soulagé que le « meurtrier » ait été arrêté. Henri n’est toutefois pas certain qu’on ait attrapé la bonne personne. Christian conseille Henri au sujet de Francine. Adèle ne donne plus de nouvelles à Simone. Henri tente de réparer les pots cassés auprès de William. Au travail, le psychiatre annonce une mauvaise nouvelle à Paule et Maryse. Le procès de Sophie Bérubé-Lacroix débute enfin.

Dévastée par tout ce qui lui arrive, Simone s’embarque quand même avec Danno dans une chasse à l’homme effrénée. Le duo arrivera-t-il à neutraliser celui qui le déjoue depuis le début? Au procès de Sophie Bérubé-Lacroix, l’experte de la poursuite est impeccable, ce qui donne espoir à Henri. Les témoignages de la défense sont aussi très convaincants. De quel côté penchera la balance de la justice?