物理学者汤川学（
福山雅治饰）从美国回到日本，刑警内海薰（
柴崎幸饰）来找他咨询少女被杀案。案件的核心是少女被杀案的嫌疑人。镇上颇受欢迎的女高中生失踪数年后人们发现了她的遗体，而嫌疑人是汤川大学时代的同学、内海的前辈刑警草薙俊平（
北村一辉饰）负责的其他案件中的嫌疑人。在那件案子中被判无罪的他，在这次的案件中又因为证据不充分而获释，回到了女高中生所住的镇子。而且，他对死者家属做出挑衅行为，遭到全镇人的憎恨。然而，嫌疑人在秋季节日巡游当天死掉了。汤川要挑战的是有动机杀人者全部有不在场证明且遇害人死因不明的案件。
2021年7月15日，制作方宣布“神探伽利略”系列第三部电影版开始制作。12月15日，宣布定档2022年9月16日。4月27日，该片发布特报映像和海报。6月16日，该片公布主题歌，同时发布预告片。7月11日，发布正式海报。8月31日，举行首映式。9月初，公开了三个15秒CM预告。6月2日，公布九位共演演员名单。6月6日，宣布川床明日香、出口夏希出演该片。9月11日，发布汤川与内海重逢的正片片段。2022年9月12日，在福冈举行“‘伽利略’福冈凯旋活动”，福山雅治、柴崎幸出席。
该片于2022年9月16日在日本公映，上映首个周末，共吸引28万1000人观影，票房收入达4亿700万日元，位列票房排行榜第二名。截至2022年底，该片在日本的累计票房达30亿日元。
该片的故事有些像《东方快车谋杀案》，但揭开令人意外的真相的解谜技巧非常巧妙。不可否认的是，该片整体上仍给人以两小时电视剧的印象，但以法律的界限和复仇之心的危险为焦点的故事非常理性。（シネマトゥデイ网站影评人なかざわひでゆき评）
该片开头的蒙太奇说明擅长融合娱乐元素和人情剧的西谷导演果然发挥了真本事，能让观众时隔九年再次毫无违和感地沉浸入“神探伽利略”的世界观。久违的汤川老师和内海刑警的搞笑对话固然是看点，但这次影片的轴心是草薙刑警的苦恼与纠结。宛如幻影般在回忆中登场的川床明日香呈现出的虚幻感很不错。但是，扮演她父亲的饭尾和树的表演，尤其是哭戏，更是魅力十足。细腻的演出，再加上稍稍偏离预想的故事发展，使该片成为成功的“剧场版”。（シネマトゥデイ网站影评人くれい響评）
内海薰的“复活”令人高兴，汤川学、内海薰、草薙俊平三人站在一起的样子，让人感觉特别舒服。虽然东野圭吾的作品给人以理科系的印象，但其核心仍是浪漫戏剧。伽利略系列的长篇电影作品很好地抽出了那一部分，演员和制作方也充分理解了这一点，所以即使对原作进行些许改编，也不会有违和感。KOH+的主题曲很好听。（シネマトゥデイ网站影评人村松健太郎评）