这部让电视观众认同英爱的《医家兄弟》讲述的是这样一个故事：一座小城综合医院的院长金光林的亲孙子俊基（孙昌民饰）和养孙秀亨（张东健饰）都是这家医院胸部外科的专家医生。兄长俊基与其说是医术高明不如说他人情味更足，弟弟秀亨自我意识强，却医术高明。
多年以前，金俊基的父亲金尚雨在做手术时出了医疗事故，造成患者死亡，患者的丈夫李明子也因悲伤过度而去世，金尚雨内疚自责，无法承受心理压力而自尽。死前留下遗书，要俊基的母亲将李明子在孤儿院的儿子（现在的秀亨）收养。桀敖不驯的秀亨在金家长大，并被送到美国进修，但对自己的童年一无所知。进修后回到医院的秀亨成为了一名优秀的医生，精湛的医术得到了众人的钦佩。与之相恋多年的医生车敏珠（英爱饰）为恋人的归来而高兴，又为恋人对感情的玩世不恭而伤心。
俊基在给自己朋友的妻子做手术时，因准备不足导致朋友的妻子死亡，伤心与内疚使他离家出走，并巧遇雨夜为孤儿看病的女教师尹珍雅。被冻晕在野外的俊基被珍雅所救，但却失去了记忆，神甫为唤起俊基的记忆请珍雅帮助。在修道院长大的珍雅是个私生女，从小在修女们的耐心教导下长大。纯真质朴的珍雅治愈了俊基的伤口，从她身上俊基仿佛又感觉到自己早亡的妻子的身影。他们在外出途中目睹一起车祸，看到伤者，使俊基恢复了记忆。终于从失败的梦魇中清醒过来的俊基，重新回到了医院。
秀亨得知自己父母的死因，决心要报复金家，在医院的千例心脏手术即心脏移植成功的记者招待会上，秀亨公布了医院内部关于这次心脏移植中的腐败行为，老院长闻听此事心脏病突发而去世，为此秀亨离开了医院。
幡然醒悟的秀亨更加珍惜与敏珠的爱情。这时珍雅因心脏病住进了医院，只有心脏移植才能救活。俊基为救自己心爱的人求秀亨回到医院。此时秀亨也因肺癌正忍受病痛的折磨，为了哥哥，秀亨偷偷化验了自己的血液，发现适合移植，便对俊基说有一家医院有心脏捐献者。手术前，秀亨打电话与哥哥诀别后自杀，俊基忍痛为珍雅做了心脏移植，秀亨的心脏重新又在珍雅身上跳动。
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