東京の大病院の救命救急の現場で働く内科医・紅野真空（高畑充希）は、多発性筋炎・皮膚炎を発症した。免疫が自分の身体の筋肉や皮膚などを攻撃して炎症を起こし、倦怠感や疲労感、食欲不振などに見舞われる。現代医学でも不治の病とされる難病だ。紅野は「お金持ちじゃないし、奨学金も返さないといけないし......。このまま働かせてほしい」と訴えるが、上司は冷たく「ウチに必要なのは患者じゃない」とクビを宣告する。
ある日、昼食の帰りに公園で雨宿りをしていた紅野は、山奥にある虹ノ村から地元の名産品を売り込みにやって来た村役場課長・霧ヶ谷佳（光石研）と出会い、村の診療所で内科医を募集していることを知った。
紅野が病気のことを隠して応募すると、即採用。紅野はレトロなバスに乗り、鬱蒼とした森を抜け、虹ノ村にたどり着いた。頑固者や変人はいるが、悪人はいない『桃源郷』のような村だ。
廃校になった小学校を改装した虹ノ村診療所兼住居では、「農業をするために村に来た」というツナギにサングラス姿の偏屈な外科医・浅黄朔（井浦新）と、優秀だがすぐにキレる看護師・蒼山太陽（北村匠海）が待ち受けていて、紅野は男2人と一つ屋根の下でシェアハウス暮らしをすることになった。
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テレビ朝日「にじいろカルテ」番組公式サイトより
村人たちを前に、自分の難病を告白すると...
初日の夜、紅野はこの2人と協力して、渓流に転落して脚に大けがをした上に低体温症に陥った老人・白倉博（モト冬樹）と、風呂に入っていて熱中症にかかった小学生の2人の命を救った。その直後、感極まった紅野は、この2人と村人たちを前に「私、嘘をついていました」と病気を告白する。だが、普段は皮肉屋の浅黄が「医者で患者か、最強じゃん！」と応じ、改めて虹ノ村診療所での日々がスタートした。
翌朝、紅野らが窓の外を見ると、診療所の前には村人たちの大行列が！ 年寄りたちは紅野に孫についての悩みを打ち明けたり、畑で獲れた冬瓜をプレゼントしたりと、診療所は開設以来の大賑わいだ。診察に関係ない話まで熱心に聞く紅野に、蒼村は「1人に時間をかけすぎると、待つ時間もそれだけ長くなる」と注意するが、紅野は「頼ってくれてるのがうれしくて」と取り合わない。
そればかりか、村内の回診で知り合った一人暮らしの元小学校教師・桃井佐和子（水野久美）から「スマホを買ったが話す相手がいない」と言われ、紅野は「いつでも話し相手になる」と安請け合いし、さっそくかかってきた電話にも丁寧に対応する始末だ。
だが、大勢の村人たちが連日診療所に押しかける中、紅野自身の体調は徐々に悪化していく。
そんなある日、村の『お騒がせ老人』3人組の1人、筑紫次郎（半海一晃）が診療所にやって来た。「来てみたくてね」と笑って話す筑紫を診察した紅野は、ある病気の重大な兆候を見逃してしまう。そして、筑紫は突然「胸が......」と言って倒れてしまった。
内科医として自信を持っていた紅野がまさかの診療ミスをし、救えるはずの命を危険にさらしたのだ。果たして3人は筑紫の命を救えるのか......。それは、3人が本当のチームになるための避けて通れない試練でもあった。（よる9時放送）
寒山