《嫌疑人X的献身》围绕数学天才石固的极致牺牲展开：
独居的石固（崔岷植饰）生活沉寂，邻居单亲母亲花善（李贞贤饰）带女儿美璐挣扎度日，却遭前夫金哲民反复骚扰敲诈。某日金哲民上门施暴，花善母女失手将其杀害，慌乱中石固察觉，主动介入掩盖罪行：他冷静处理现场，将金哲民分尸抛至不同地点，诱杀流浪汉替换尸体，故意留下金哲民的随身物品误导警方认定死者身份，同时安排花善母女当晚看电影、唱K，制造完美不在场证明。
警方因金哲民失踪锁定花善，石固的高中同学——物理学者民哲（柳承范饰）协助调查，凭借石固的异常（如提及“看似难实则简单的问题”）识破“逻辑陷阱”：真正凶手是花善，石固以“杀流浪汉”为代价编织骗局。
最终石固自首揽下全罪，美璐割腕自杀未遂，花善得知真相后崩溃投案。石固的极致牺牲未换得母女解脱，却戳中人性中爱与毁灭的边界。
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