《燒腦》主要講述只有三年記憶的懸疑小說家一邊尋找素材一邊探尋自己身世之謎的故事，吳鐵柱不僅是懸疑小說家，還是心理學碩士兼心理諮詢師，他只有近三年的記憶，對三年前的事一無所知，所以他一直在尋找之前的記憶。
為了給自己的創作尋找素材，他會親自參與到各種懸疑案件中，每個案件看似簡單，實際上都隱藏著很多不為人知的秘密，在深入案件的同時，他也發覺社會上存在著一個他不知道的勢力，這一勢力似乎和自己有著千絲萬縷的聯絡。
吳鐵柱能察覺到神秘勢力在醞釀一個大計劃，但他始終無法解開這個謎團，這主要還是因為失憶導致的，實際上，吳鐵柱的真實身份就是這一神秘組織的成員幹部之一，代號為“作家”，不過後來他叛變了組織。
代號為“渤海”的呂歐一直奉命調查“作家”叛變一事，他與吳鐵柱、顏欣怡一起遭遇車禍，吳鐵柱也是從那時起失憶的，隨著故事的推進，吳鐵柱逐漸知道了自己的真實身份，他和神秘勢力之間的鬥爭逐漸浮出水面。
1、第一集：1937年，中國山西。葛十三、常二寬和丁丑娃是出身不同、性情相投的三兄弟，同屬於國民革命軍後勤處運輸連。排長葛十三帶領弟兄們去給前線戰士送糧，部隊停下修整時，老三丁丑娃和幾個戰士一起用飯碗賭錢，葛十三生氣地把他的篩子給扔了，部隊就要出發之時，日軍敵機突然呼嘯而至，投下大量炸彈，戰士們雖及時臥倒，但傷亡慘重。常二寬將老三丁丑娃藏在在山崖石壁之下，一名戰士全身著火，葛十三撲過去用麻袋將火撲滅，丁丑娃讓外面的兄弟向自己靠攏，但在敵機機槍掃射之下，僅有一名戰士爬到了他附近。運糧隊向峽谷撤退，葛十三和常二寬回身去找醜娃，三兄弟會合，炸彈在他們附近爆炸，把三人炸得全身都是麵粉，劫後餘生，三兄弟互望彼此，哈哈大笑。
2、第二集：趙智怡直言自己喜歡葛十三，並將自己親手編的手鍊送給了他，葛十三卻看出常有寬更愛趙智怡，兄弟二人勸他把自己的愛意說出來，他們架著二寬來到樓前，讓他面對著樓下的客人，向趙智怡表白。常二寬還未說話，趙智怡用一句“我永遠是你的好妹妹”堵住了他。來領物資的軍長髮現武器破爛，他懷疑這批物資會不會和糧食一樣，被人調了包。常二寬本來就是麵館的小夥計，為了趙智怡才去當兵，他了解到趙智怡不喜歡自己，又跑到後堂去弄麵粉，決心不回去了。
3、第三集：葛十三拒不認罪，謝主任對他嚴刑逼供，把他打得渾身是傷，常二寬又被拖了出去，丁丑娃知道下一個就是自己，他怕得要死，嚷嚷著要招供認罪，謝主任進入監牢要將醜娃帶走，三兄弟與他們扭打在一處，葛十三搶到手槍逼住了謝主任，三人換上服裝，逃出了軍法處。三兄弟商量去軍部告狀，在門口就碰上了謝主任，只能再次逃走，趙智怡在城外牆上見到了抓捕三人的告示，心裡十分擔心，三兄弟逃到麵館，又遇警察搜查，趙智怡只得搬出胡振宇局長的大名。葛十三等商量今後的出路，決定到山西去，趙智怡給三人換上老百姓的衣服，趁夜送他們離開。在去山西的路上，他們碰到一隊逃兵，被逼著互相交換了衣服，來抓逃兵的國軍把他們交給了去給前線送彈藥的部隊，葛十三等人陰差陽錯來到了與日軍交戰的前線。
4、第四集：戰俘營裡有人生病，葛十三覺得不能不管他，老唐與他發生爭執，兩人差點動起手來。一片混亂中，日本人鳴槍示警，大家才安靜下來，趙智怡的哥哥趙偉在戰俘中認出了二寬，四人聊天中，趙偉告訴三人，自己現在是八路軍政委，也是因戰敗被俘。老唐突然出現在上面，叮囑葛十三等人不要再鬧事，只有把活兒順利幹完，大家才有活路，趙偉卻對老唐的無知非常不屑，他告訴三人，現在正在挖的是日軍的彈藥庫，一旦完工，鬼子絕不會留一個活口。
5、第五集：第二天午飯時間，常二寬來到瞭望哨給守兵送飯，他給鬼子表演拉麵絕活，鬼子看得興高采烈，在表演削麵的時候，常二寬瞅準時機，拿刀將三名鬼子刺死。葛十三精心燴製糖醋魚討好高木次郎，高木次郎在魚底發現了一把匕首，十分吃驚，質問葛十三這是什麼意思，葛十三告訴他，這是中國一個非常著名的典故，他趁機拿起藏在魚裡的匕首，刺向高木次郎，二人扭打在一起，高木次郎將葛十三壓到身下，葛十三摸到一支鋼筆，將其穿喉而死。醜娃將老唐騙到自己門前，藉口為他擦皮鞋，將其撂倒在地，成功地拿到了每個營房的鑰匙，老唐找到一把槍，到處尋打醜娃，醜娃趁其不備，用筐子扣住了他的頭，在二人的打鬥中，老唐被穿透胸部而亡，醜娃把鑰匙分到每個營房，戰俘紛紛逃散。常二寬利用炮樓制高點的機槍，不停掃射追來的日軍，日軍將手雷扔向炮樓，常二寬趕緊臥倒逃命。日軍重新佔領瞭望哨向逃跑的戰俘瘋狂掃射，葛十三在常二寬的掩護下，將裝滿手雷的包裹死命扔向鬼子瞭望哨，震天的爆炸聲接連響起，鬼子的瞭望哨被徹底炸燬，三兄弟奮力舉起戰俘營的牢門，戰俘們一個個地逃了出去。
1、個生死之交的結拜兄弟葛十三、常二寬、醜娃，因發現當局倒賣軍糧的醜聞被追殺。逃亡路上，三兄弟計奪山匪窩，尋得容身之處。兄弟三人帶著山匪襲擊日偽軍，名聲遠播，引來國共雙方對這支隊伍的關注。風雲際會，三人選擇了自己的道路：葛十三加入八路軍，喬裝成翻譯打入日軍陣營；常二寬加入國民黨軍隊，成為戰功顯赫的營長；醜娃當了山匪，中了美人計而墮落成漢奸。一次戰鬥中，二寬被俘，醜娃前來提審，葛十三冒死營救，最終醜娃讓葛十三救走二寬。然而，在日方的威逼下，醜娃供出了潛伏在日軍裡的葛十三，幸而葛十三成功脫身。
2、決戰之際，三人重逢，危機關頭，醜娃幡然醒悟，三兄弟同仇敵愾，共同抗擊日寇