Оперативная память — это история о майоре Багрышева, опытном следователе, который начинает терять память из-за болезни Альцгеймера. Он решает скрывать свой диагноз и продолжать работать. Его новым напарником становится Юрий Соломин, амбициозный и молодой стажер, который постепенно осознает, что его партнер скрывает гораздо больше, чем кажется на первый взгляд. Вместе они начинают расследовать серию убийств, в которых почерк маньяка напоминает события из прошлого Багрышева.
Сюжет сериала сосредоточен на том, как Багрышев и Соломин раскрывают преступления, одновременно сталкиваясь с личными проблемами главного героя. Процесс расследования становится все более сложным, так как каждый шаг Багрышева обременен его собственными воспоминаниями, которые постепенно стираются.