Meredith Grey (Ellen Pompeo, 'Daredevil', 'El compromiso') es hija de una de las cirujanas más respetadas de la profesión. Ahora, ella quiere seguir los pasos de su madre en el Hospital Grace de Seattle. Grey se presenta como piedra angular de la serie de la que surgirán diferentes conflictos en relación con su amante, el neurocirujano Derek Shepherd (Patrick Dempsey, 'Transformers: el lado oscuro de la luna'); su mejor amiga, la Dra. Cristina Yang (Sandra Oh, 'Bajo el sol de la Toscana'), y el resto de los médicos del hospital, especialmente los internos en periodo de prácticas, como Alex Karev (Justin Chambers, 'Planes de boda'), Izzie Stevens (Katherine Heigl, '27 vestidos') o George O'Malley (T.R. Knight, 'Charlie Lawrence'). La serie gira en torno a este grupo de cirujanos, médicos e internos, los casos médicos que tratan en cada episodio y las relaciones interpersonales que tienen lugar entre los mismos. Se pone de manifiesto la intensidad de la medicina a través de estos conflictos y también a través de la carrera de los internos por convertirse en médicos.