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1994年，朝鲜国家主席金日成病危，韩国国会议员张硕周（千浩振饰），为避免美国趁机对朝鲜开战而影响到韩国的和平，委托胸腔外科权威朴哲（金相中饰）为金日成做心脏手术。作为韩国的国民，朴哲感到十分为难，但在政府的施压下，朴哲逼不得已带着年幼的儿子朴勋（李钟硕饰）前往朝鲜。怎料完成手术后，张硕周并没有安排朴哲父子回韩国，两父子更被朝鲜高官威逼留在朝鲜生活。
长大后的朴勋跟父亲一样成为了一名出色的胸腔外科医生，朴勋有一青梅竹马情人宋在熙（陈世妍饰），二人更订下婚约。可是在熙无故被捉走，朴勋又被逼到医疗研究所工作，做了许多违背医德的残忍实验。朴勋一直寻找在熙的下落，五年后，朴勋却发现在熙竟是其临床实验对象。在朴哲的安排下，他与在熙得到前往布达佩斯的机会，二人逃亡时，却被朝鲜政府人员追捕，在熙中枪堕海失踪。
其后朴勋几经波折成功“脱北”回到韩国，并因缘际会下加入明宇大学医院担任医生，朴勋在医院无意中看到貌似在熙的身影，锲而不舍追寻在熙下落的同时，在朝鲜长大的朴勋还得以一个异乡人的身份，对抗医院内的权力斗争和政治阴谋。
李钟硕饰朴勋
配音周良鸿、宋昱璁
备注脱北天才胸外科医生
陈世妍饰宋在熙、韩胜熙
配音黄莹莹、杨凯凯
备注朴勋初恋，北韩间谍，优秀的麻醉师
朴海镇饰韩在俊、李成勋
配音李镇然、李世扬
备注胸外科科长
姜素拉饰吴秀贤
配音郑丽丽、冯嘉德
备注理事长女儿、胸外科医生
全国焕饰吴俊奎
配音谭炳文、符爽
备注医院理事长、吴秀贤的父亲
崔政宇饰文亨旭
配音陈永信、曹冀鲁
备注前任胸外科科长
南明烈饰崔秉哲
配音冯志辉、于正昌
备注医院院长，朴勋父亲的朋友
金尚浩饰杨正汉
配音叶振声、于正昌
备注胸外科无薪研究员
姜泰焕饰吴尚镇
配音李致林、于正昌
备注吴俊圭元配所生的儿子
朴勋
演员李钟硕
天才胸外科医生，将韩国心脏手术提高到世界级水平的医生朴哲的儿子。虽然生在韩国，却在朝鲜长大。在朝鲜有过众多临床经验的他，拥有着比别人更完美和快速的主刀实力，而且拥有着可以在危机的瞬间凭借本能来做手术的卓越天赋。在朝鲜见到宋在熙后将其视为命运并一见钟情，并为了寻找坠河的宋在熙而不惜赴汤蹈火。
韩胜熙、宋在熙
演员陈世妍
谜一样的女人，大家除了知道她是一个实力出众的麻醉医师外再无与之相关的信息。与朴勋的初恋情人宋在熙长得一模一样，被朴勋强抱辨认出心跳，确定她就是自己的爱人宋在熙。为了保护朴勋母子，一直默默的付出着，那个很爱笑的女孩已经很难再在她的身上显现，她坚强、勇敢、为爱付出生命也在所不惜，她深爱着朴勋，一直都是。
韩在俊
演员朴海镇
明宇大学医院胸外科新任科长，哈佛大学医学院副教授出身，拥有着帅气的外貌和出众的实力。因为少年时父母的死，让他怀着仇恨走进了明宇大学医院。虽然他对所有人都很温柔，但隐藏在内心的仇恨使他变得阴暗和拥有着无比冷静的头脑。真心喜欢着吴秀贤、痛恨朴勋的父亲、一心想毁了明宇大学医院，是一个理性而又充满矛盾男人。
吴秀贤
演员姜素拉
胸外科医生，明宇大学医院理事长吴俊奎的庶女。从小不被生母理睬，并在同父异母哥哥的蔑视下长大。为了能讨得父亲的欢心而努力学习。虽然看起来没有任何不足，仿佛拥有着一切，但她其实比别人都更孤单。当她厌倦这种生活时，韩在俊出现了。以为和在俊的爱情就是全部，但这时朴勋出现了。他那凄美的爱情动摇了吴秀贤的心。
吴俊奎
演员全国焕
明宇医疗财团的理事长，总是带着仁慈的微笑，彬彬有礼仿佛绅士一般，但那微笑之后包含着无人可想的巨大权欲。他把父亲交给他的社区小医院扩建成了国内最大的医疗财团。他的成功秘诀很简单“得到有用之人，毫不留情抛弃无用之人”，用人之术正是他的三寸不烂之舌，而且他也有着只要想得到就可以为之不择手段的权谋之术。
文亨旭
演员崔政宇
钱多的数不过来的前任胸外科科长，为了能用这些钱当上医院院长，他开始利用朴勋。但他的权谋之术却比吴俊奎略低一筹，面部表情上的控制也赶不上吴俊奎优秀。不过那正是身为一个人的文亨旭比吴俊奎更有人情味的体现。由于本应该把自己当主人并尽心服从指示的朴勋并不如预想中的听话，所以他伤透了脑筋。
2014年第七届韩国电视剧节女子优秀赏姜素拉获奖
第三届大田电视剧节人气明星赏陈世妍获奖
2014SBS演技大赏特别赏李钟硕获奖
10大明星赏李钟硕获奖
该剧不但由陈赫执导，还同时配备了李钟硕和朴海镇共同主演，在剧情是否好看之前，就足够吸引两位的庞大女性粉丝群的关注了。导演陈赫继《城市猎人》后，再度在《Doctor异乡人》的开篇抛出了南北韩话题，而故事开头部分展现的朝鲜通过活人实验进行医学研究等重口味虚构内容，视觉冲击极其强烈，也为故事的后续发展埋下了伏笔。（搜狐韩娱评）
虽然初恋宋在熙是编剧从一开始给朴勋设定的命运般相遇的恋人，但随着剧情的发展，故事似乎并不是围绕着谍战医疗展开，而是围绕着奇怪的初恋梗展开，把好好的医疗剧拍成了作死的爱情剧。同时，编剧为朴勋这个角色设定了马景涛式的情感表达方式，一个天才技术流出身的外科医生，居然有着动辄就嚎啕哭吼的情感表达方式，如果说通过这样的方式为主角的真性情做性格定位，那编剧也实在是弱爆了。戏份总是有着跳跃性安排的朴海镇和姜素拉的角色也被不少观众诟病着。（搜狐韩娱评）
该剧编剧以一种好似“随时可能失控”的模式描述剧中的每个人物和每段剧情的进展，医生不像医生，特务不像特务，政治人物不像政治人物，每埋下一个剧情的伏笔都要用一个很另类的转折来圆场，演员演得很分裂，观众看得很崩溃。（搜狐韩娱评）