《On Call 36小时》描绘了一群刚从医校毕业的新生，包括杨沛聪（罗仲谦饰）和美雪（黄智雯饰），在神经外科开始了艰难却充满挑战的实习旅程。神经外科的张一健医生（马国明饰）一丝不苟的工作态度和对待病人的认真态度让大家对他又敬又畏，他被医院上下亲切地称为“一件头”。他默默为了实现双脚瘫痪的弟弟一康（魏焌皓饰）去美国留学的梦想而拼命工作存钱，对个人感情的事避而不谈。

然而，范子妤（杨怡饰）的出现彻底颠覆了他的生活。作为一健的导师的女儿，子妤对医学充满热情，从仰慕一健转变为爱慕之情。尽管一健对感情保持回避态度，子妤却不断采取主动，尤其在一康不幸离世后，她成为一健在心灵上的支柱，为他带来安慰和鼓励，让他重新找回医生的使命感和信念。

然而，命运的捉弄并未停止。子妤被检查出脊髓内肿瘤中的星型细胞瘤，一健陷入了极度的痛苦与迷惘。在对抗疾病的过程中，他逐渐理解了自己内心深处的情感。