《悲伤时爱你》翻拍自1999年日本TBS电视台播出的日剧《美人》。该剧呈现的是被追踪的女人、追踪的男人以及隐藏的男人之间的激情爱情故事，将重新演绎追踪与被追踪的危险追击战和充斥着秘密的欲望。
一桩焚尸旧案被重查，基层民警陈江河（段奕宏 饰）也被紧急调回。当他再次进入小城，搅局的骗子、撒谎的真凶、复仇的牺牲者，犹如一场沙尘暴将他笼罩其中。但他坚信罪恶皆有源，再大的风暴也终会平息，天地总会恢复澄澈。
向晴（肖茵 饰）好不容易进入了海星集团特殊事业部，没想到自己的工作竟然是和四个英俊帅气的男人一起卖卫生巾，他们分别是无论对谁都会展现出温柔一面的中央空调刘跃（赵越 饰）、每天都元气满满的阳光男孩黄子轩（曲澔濬 饰）、面冷心热口是心非的毒舌男子赵天雷（洪连成 饰）以及脾气十分火爆实际上意外的温柔的李苏航（徐志贤 饰）。和这四个男人共事的每一天都充满了不确定的因素。 在和四个男人相处的过程中，李苏航渐渐吸引了向晴的注意。李苏航乍一看是一个没有任何弱点的完美男人，但向晴却在他躲闪的目光中看到了他隐藏在心底的阴影。
女警长吕霏侠（周丽淇 饰）已过而立之年，她内心柔情外表刚毅，在爱情的道路上走的跌宕起伏。由于自小受笫一代女警、母亲毕玲珑（卢婉茵 饰）的影响，加之同班死党米家宝（朱慧敏 饰）、金瑞娜（王君馨 饰）都从警，她很热爱自己神秘又刺激的职业。自视恋爱经验丰富的霏侠刚碰上一个大挫折，即将与其结婚的男友董兆良（王浩信 饰）竟然是名在案的大毒枭，这让霏侠大跌眼镜。《响报》记者蓝一一（谢天华 饰）借此大为吵作，霏侠与他产生了过节，祸不单行，这边与蓝一一结下梁子，那边与上司司徒骄（黄智雯 饰）又发生了冲突......
1949年1月31日，北平和平解放，解放军某师参谋长冯天祥被任命为309办公室副主任。专门负责党中央和毛主席及民主人士的安全保卫工作，并协助中央准备建国事宜。与此同时，南京方面毛人凤任命老牌特工段云飞为新任北平站站长，命其找出中共中央和毛泽东住地具体位置，开展破坏活动。 段冯二人国共合作时期曾有过短期的合作，然而，段以为是冯杀了他的爱妻，对冯怀恨在心，要亲手诛之。 开国圣典正在紧张的筹备中，段云飞不断制造各种暗杀和破坏活动，制造紧张气氛，矛头直指冯天祥。冯天祥知道，不除掉段云飞，将会给开国大典埋下巨大隐患。 情报泄露，冯天祥决心查出隐藏在内部的特务。中共特工老李暴露被杀，蒋介石炸毁南苑机场，民间一度恐慌，冯天祥心急如焚。冯派干将林国生打入北平站内部，主动出击，成功瓦解段制造的北平暴动，缴获其电台，抓捕了段手下特务。李克农亲自电报毛人风。 儿子被绑架，...
1976年，东北农村一处普通的知青点里，团支书彭天翼被推荐为工农兵学员，即将返回北京上大学。然而，就在这人生转折时刻，航天科学家楚忠良把毕生研究成果偷偷交给他保管。彭天翼为保护珍贵的学术成果，放弃火热的初恋和即将被保送上学的前程。 知青大规模返城，彭天翼却继续扎根农村，他为了推动农业改革，与保守势力辩论，错过了高考；回城务工后，他在经济体制改革中大刀阔斧，因此导致家庭出现裂痕；为坚守强国富民的初心，他放弃了赴美国继承遗产的机会，安心于平淡艰辛的经济学研究。历经无数牺牲和奋斗，以彭天翼为代表的知青们为中国改革事业趟出一条血路……
在一次危险的任务中，叶胜辉（陶大宇 饰）开枪误伤了一名无辜的女学生，这场意外令叶胜辉的事业跌落了谷底，不仅如此，他的精神亦走到了濒临崩溃的边缘。上司将叶胜辉送往了心理医生李嘉雯（李珊珊 饰）处接受心理治疗，对于出现在叶胜辉身边的种种诡异事件，李嘉雯只当它们全都是叶胜辉的幻觉。 叶胜辉被调到了古董仓工作，在那里，有一颗摆放了二十五年无人认领的人头，当死者的弟弟江文杰远道而来认领尸首时，道出了此案和曾经的灭门惨案之间千丝万缕的关联，所有的矛头都指向了一位名叫陈石的男人。之后，当叶胜辉重新来到灭门惨案发生现场之时，震惊的发现，自己竟然获得了能够看到鬼魂的特殊能力。
仁和医院高级精神科医生高立仁（方中信 饰）在婚礼前痛失为重案组探员的未婚妻莫敏儿（徐子珊 饰），随即陷入悲伤中不可自拔，甚至为此辞去工作。却不料就在此时，医院接收了一名声称被幻听所困更涉嫌强奸案的精神分裂患者。对此案不甚关心的高立仁路过案发现场，误打误撞帮助了博安医院法医精神科医生梁启荣（萧正楠 饰），并建立亦师亦友的关系。已经在外挂牌行医的连志森（蒋志光 饰）担心老友丧妻后萎靡不振的精神状态，多番劝说他重振旗鼓。高立仁也终于决定去博安医院任职。 在随后一次同学聚会中，夜总会发生命案，高立仁意外结识了警方卧底林颂恩（杨怡 饰）。而在工作过程中，也逐渐与顾问医生卓慧翘（蒙嘉慧 饰）成为朋友。与此同时，连志森与梁启荣也分别陷入了暧昧不清的情爱关系……
理工科大学和艺术学院分立在马路的两边，它们一边是美女如云才子汇聚的天堂，一边是充满了工科男和书呆子的地狱。就读于艺术系的沈熹（宋芸桦 饰）一直暗恋着自己的青梅竹马林煜堂（官鸿 饰），无奈林煜堂身为工科男，个性迟钝而又木讷，迟迟无法看穿沈熹的小心思。 某日，沈熹邂逅了理工科大学的转校生何之洲（佟梦实 饰），后者拥有着英俊的外表和高超的智商，是校园里耀眼的存在。在误打误撞之中，沈熹和何之洲之间竟然产生了灵魂互换的怪现象，而进入到了何之洲体内的沈熹却感到万分庆幸，因为她终于可以借此机会接近朝思暮想的林煜堂了。
讲述1944年湘西会战阶段，国共两党特工人员与日本间谍组织“狐”殊死搏斗的故事。
1955年，国际局势风云变幻，新中国的建设迫在眉睫，身处他乡的中国知识分子中掀起了一股归国热潮。留美物理学教授钟培林，留苏深造的王怀民、何吟薇夫妇和黄凯华等物理人才克服重重阻力，辗转踏上报国之路。1958年中国的第一个核武器研究机构A所成立，王怀民与战争英雄陶志纲、护士杨佳蓉以及彭雄飞、黄凯华、钟心等科学家一同加入A所开始了原子弹研发工作。他们在研发过程中渡过了研发条件艰苦、自然灾害等重重危机。终于在1964年10月16日成功试爆了中国首颗原子弹。大家欢腾雀跃，又一鼓作气地投入到氢弹和两弹结合的研究中去，不久，这两项伟大的事业也相继取得了胜利。王怀民和杨佳蓉，陶志纲和钟心也终于在同一天迈入了婚姻的殿堂。1978年，科学的春天终于到来，王怀民却因积劳成疾将不久于世。医院里，他用尽力气，在民用核电报告的扉页上写下了他们几个人的名字。
