Події розгортаються у 2028 році, через сім років після подій Trauma Center: Under the Knife 2 і розповідає про лікарів Маркуса Вона та Валері Блейлок, двох хірургів зі здатністю “Цілющий дотик”, які працювали в медичному інституті Конкордія в Лос-Анджелесі. Доктор Вон переїжджає до Меморіальної лікарні Монтгомері на Алясці, а за ним - доктор Блейлок. Там вони лікують колишню пацієнтку доктора Вона, Олену Салазар. Коли Меморіальна лікарня Монтгомері закривається, її директор Майлз Гувер просить доктора Блейлока повернутися до «Конкордії». Доктор Вон і доктор Блейлок погоджуються, і разом з Оленою, яка приєдналася до них як медсестра, вирушають до Конкордії. Там вони дізнаються від Ллойда Вілкенса, старого знайомого Маркуса, про нового і загадкового паразита на ім'я Стигма.
Після того, як Маркус і Валері прооперували Ллойда, зараженого стигмою, професора викрадають разом з його даними про цю нову хворобу. Саме в цей час доктора Вон і доктора Блейлока запрошують приєднатися до Кадуцея, побоюючись втратити свій життєво важливий досвід роботи зі стигмою. Перші випадки стигми були приховані від громадськості, аж поки не з'явилися на шоу «Чудо-хірургія» і не здобули перемогу над Леонардо Белло.
Пізніше доктора Вона, доктора Блейлока та Єлену викрадають члени злочинної організації «Парнас». Під час перебування в заручниках з'ясовується, що Маркус був відповідальним за створення «Стигми», яка з'явилася внаслідок нещасного випадку, коли Маркус працював з професором Вілкенсом. Також з'ясувалося, що професор Вілкенс прагнув прославитися завдяки дослідженням, які він і Маркус провели разом. Однак Маркус відкинув ідею використовувати потенційну загрозу для прославлення і поїхав на Аляску.
Після подорожі до Південної Америки на пошуки професора Вілкенса та решти членів «Парнасу» (яка закінчилася смертю одного з них), вони дізнаються, що Синтія, давня подруга доктора Блейлока, а також працівниця Кадуцея, була у змові з людиною на ім'я Майстер Вахушті. Саме Вахушті спочатку планував поставити Олені імплантат, подібний до того, що був у Синтії [імплантат у серці Синтії, який приховує в собі пульт дистанційного керування, що може зупинити нормальну роботу органу]. Видаливши пристрій з Синтії, доктор Блейлок і доктор Вон стикаються з Вахушті, який є носієм Кардії, останнього штаму Стигми. Валері та Маркус мають справу з останнім штамом стигми і з'ясовують, що Кардію мали використовувати для лікування невиліковної хвороби, але, заразивши себе нею, Вахушті став соціопатом і збожеволів. Він помирає, визнавши свої гріхи, невдовзі після операції. Коли життя повертається до нормального стану, Валері, Маркус і Олена розмірковують про те, що саме від них залежить, чи зможуть вони врятувати чиєсь життя, коли це буде потрібно.
Дерек Стайлз і Енджі Томпсон з попередніх ігор про травматологічний центр з'являються в епізоді 7-4 і в четвертій місії «Виклик», в якій гравець повинен боротися зі стигмою і провиною у симуляції віртуальної реальності. Доктор Стайлз, порівняно з його появами в іграх «Під ніж» і «Друга думка», має коротше і світліше волосся, а волосся Енджі ще коротше.