Dr. Brain basiert auf dem gleichnamigen koreanischen Cartoon von Hongjacga. Im Zentrum steht der brillante Neurowissenschaftler Sewon (Lee Sun-kyun), den ein harter persönlicher Schickalsschlag ereilt. Er verliert seine gesamte Familie bei einem geheimnisvollen Unfall. Sewon versucht verzweifelt herauszufinden, was geschehen ist. Dies versucht er, indem er sein eigenes Gehirn an die der Toten anschließt und versucht, auf deren Erinnerungen zuzugreifen.