У центрі сюжету серіалу героїня на ім'я Мередіт Грей. Вона молода і приваблива, проте головна її перевага - це талант хірурга, який вона демонструє незважаючи на те, що їй не так вже й багато років. Певно такий дар можна частково пояснити тим, що Мередіт є потомственим хірургом, адже вона доводиться рідною донькою відомому на всю країну, а можливо, і світ, лікарю Елліс Грей.
Разом зі своїми молодими колегами героїня "Анатомії Грей" працює на ниві медицини в міському госпіталі Сіетла. І, як у будь-якому колективі, в цій пересічній лікарні відбувається маса захопливих подій. Тут хірурги проводять різні операції, від найпростіших до вельми складних, і щоразу це справжня драма, оскільки від їхнього вміння, таланту, досвіду і вправності залежать людські долі. Але життя не замикається в професійних рамках, адже хірурги теж звичайні люди, зі своїми характерами, почуттями, емоціями... Тож лікарям доводиться заводити не лише історії хвороб своїх численних пацієнтів, а й службові романи, а також боротися з ускладненнями як у пацієнтів, так і у своїх особистих життях. Ці два процеси йдуть то паралельно, то по лініях, що перетинаються, то закручуються в жорсткі вузли, то розплутуються на загальне задоволення. І, отже, і кар'єрне зростання, і романтичні стосунки займають голови та серця наших героїв приблизно однаковою мірою.
