2019年4月、警視庁における働き方改革の一環として刑事部・機動捜査隊（通称：機捜）の第4機動捜査隊（通称・4機捜）が増設される。同隊長の桔梗ゆづるに招集された志摩一未は、旧知のベテラン刑事陣馬耕平とバディを組むはずが、上層部の意向でキャリア組の新人・九重世人が急遽4機捜の隊員となったため、候補段階で一旦落とされていた伊吹藍と組むことになる。破天荒で警察官としての常識に欠けるが、機捜の任務を「誰かが最悪の事態になる前に止められる良い仕事」だと話す伊吹に心を動かされた志摩は、彼と共に任務を続ける。

物語は一話完結を基本として、あおり運転問題や虐待トラウマを持つ殺人容疑者、日本における外国人労働問題などを背景に持つさまざまな事件を描くが、いくつかのエピソードはラストに向けて継続し、終盤3話は連続したストーリーが展開する。

伊吹は、過去に後輩刑事を追い詰め死に追いやったと苦悩する志摩にある救いをもたらし、志摩は恩師の犯した罪にショックを受ける伊吹に手を差し伸べ、二人は相棒としての絆を強固にしていく。その裏で、第3話で4機捜に追われた少年・成川岳は逃走したまま連絡を絶ち、久住と名乗る裏社会の青年に誘われ「ドーナツEP」という違法ドラッグの売人に身を落とす。

また数年前に桔梗が関わった違法カジノ事件では、羽野麦の証言が摘発につながったが、経営者の男・エトリを捕まえることができなかった。麦は裏社会に潜むエトリに追われる身となってしまい、責任を感じた桔梗は彼女を自宅で保護していたが、エトリは久住を通して裏社会の人脈やNowTuberの特派員REC、そして成川を操り、麦の居所を探し当て誘拐する。伊吹と志摩は、麦と土壇場で彼女を助けようとした成川の二人を探し出し、救出する。だが別部隊に確保されたエトリは久住の操縦するドローン爆弾によって殺害される。

裏ですべてを操っていた久住を捕らえるため、伊吹と志摩はRECを説得しWeb会議サービスで久住に接触するも、彼は都内同時多発爆破事件をでっち上げたフェイクニュースを拡散し、社会を混乱に陥れて逃走、緊急通報の遅れによる深刻な被害をもたらす。陣馬は逃走する共犯者のトラックにはねられ重体に陥り、九重は上層部の命によって4機捜から強制的に異動、桔梗は隊長の座を失う。このことをきっかけに伊吹と志摩との関係は悪化する。

手段を選ばない久住に対抗し、志摩は刑事を辞める覚悟で単独行動し久住の居場所を探し当てるが、伊吹はその様子に気付き、先回りし久住に接触する。久住は社会に対する虚無的な思想を語り、ドラッグの充満する船室に伊吹と彼を追ってきた志摩を監禁する。ドラッグによる悪夢は伊吹と志摩の深層心理を抉りトラウマをつきつけ、ついには志摩が殺害され、怒りのあまり伊吹が久住を射殺する光景を見せる。だがそのとき、ドラマ上の現実世界では陣馬が意識を回復し、九重がその知らせを送ったことで二人は悪夢から目覚め、船から脱出する。桔梗は臨時に隊長に復帰、その指揮の下一同は久住を追う。伊吹と志摩は和解し、久住を探し当て逮捕に成功する。

時は流れ、新型コロナウイルス感染症流行の影響で東京オリンピックが延期となった2020年夏、マスクを着けた伊吹と志摩が引き続き4機捜でバディを続けているシーンで物語は幕を閉じる。
登場人物詳細は「MIU404の登場人物」を参照

〈〉内は設定年齢（原則として初登場時）。◆は『アンナチュラル』からのゲスト。その他凡例については上記リンクを参照。
レギュラー・準レギュラー
主人公


伊吹藍（いぶき あい）〈34〉 - 綾野剛

志摩一未（しま かずみ）〈34〉 - 星野源

警視庁刑事部機動捜査隊


九重世人（ここのえ よひと）〈23〉 - 岡田健史

陣馬耕平（じんば こうへい）〈54〉 - 橋本じゅん

桔梗ゆづる（ききょう ゆづる）〈44〉 - 麻生久美子

糸巻貴志（いとまき たかし） - 金井勇太

谷山（たにやま）義信 - 坂田聡

警察関係者


我孫子豆治（あびこ とうじ） - 生瀬勝久

刈谷貴教（かりや たかのり） - 酒向芳

田島（たじま）雄介 - 永岡卓也

九重篤人（ここのえ あつひと） - 矢島健一

桔梗家


羽野麦（はの むぎ） - 黒川智花