おだてられるとすぐ調子に乗ってしまうが医師としての腕は確かな主人公・瀬崎航太を演じるのは、独特のオーラと存在感を兼ね備え、常に新境地を切り開いてきた若手屈指の実力派俳優の松田翔太。月9初主演になる彼が今回演じるのは美人にめっぽう弱く、訪れる島々で出逢うマドンナに恋をし、船を下りて恋した女性と暮らしていく、と宣言しては結局のところフラれ、船に戻るという・・・医師という職業からは想像がつかない何ともトホホな役どころ。その一方で、窮地にある患者に対してはスーパードクターぶりを発揮して手術や治療に成功するが、それが終わるやいなや元のトホホなキャラに戻ってしまい・・・。
航太のパートナーになる看護師・戸神眞子を演じるのは月9初ヒロインになる武井咲。江戸っ子のような性格でチャキチャキしており、筋が通っていないことは大嫌いという性格のため、突然船に現れた一見いい加減にしか見えない航太にイラついて仕方がない。初めて乗船してきた航太を不審者と勘違いし、バスタオル一枚という姿だったにもかかわらず航太に飛びげりをくらわすほどの荒っぽさも兼ね備えているため、海診丸のメンバー内では広島一帯を締めていたレディース上がりという“都市伝説”があるという。
お調子者の航太と、筋の曲がったことが大嫌いな眞子。性格が全く異なり、どうにも交わらない二人だが、回を追うごとに次第に距離が近づいていき、やがて・・・・・・？？？
若手実力派の2人と穏やかな瀬戸内の光景が彩りを添え、今までの医療ドラマとは一線を画す、ヒューマンラブストーリー。

「海の上の診療所」は、瀬崎航太という医師が主人公の物語。彼は美人に弱く、訪れる島々で出逢う女性に恋をし、船を下りて恋した女性と暮らすことを宣言するも、結局フラれて船に戻るというトホホなキャラクター。しかし、窮地にある患者に対してはスーパードクターぶりを発揮し、手術や治療に成功する。彼のパートナーは看護師の戸神眞子で、筋の通らないことが大嫌いな性格。二人は性格が全く異なり、交わらないが、回を追うごとに距離が近づいていく。瀬戸内海の無医島を巡る病院船での彼らの物語は、訪れる島々にまつわるエピソードとともに描かれるヒューマンラブストーリーである。