À Las Vegas, un groupe d'experts scientifiques de la police recueille des indices sur les scènes de crime pour résoudre des enquêtes complexes. Un temps conduite par Gil Grissom, un entomologiste qui garde toujours son sang-froid, l'équipe enchaîne les affaires délicates : meurtres sanglants, viols, disparitions, leur taux d'efficacité est impressionnant. D.B. Russell, qui prend la suite des opérations après le départ de Gil Grissom et l'intérim de Raymond Langston, tente de maintenir la réputation d'excellence du service.
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Quatre jeunes gens se rencontrent dans un bar. En quittant l'établissement, l'un des deux couples est massacré avec une brutalité peu commune. Quelque temps plus tard, un second couple connaît le même sort. Les experts sont persuadés qu'il s'agit là de l'oeuvre d'un tueur en série. L'affaire se complique lorsque la presse est informée des faits par des fuites au plus haut niveau. La population cède à la panique et le juge d'instruction doit diriger son enquête dans des conditions délicates. Par ailleurs, Catherine reçoit des nouvelles peu encourageantes au sujet du procès du meurtre de son père...
Grissom enquête sur plusieurs meurtres qui font penser aux autorités qu'un tueur en série sévit en ville. Heureusement, des suspects possèdent des informations cruciales pour la résolution de cette affaire. Lorsque ceux-ci sont assassinés, Grissom s'interroge. Il soupçonne un policier d'avoir commis les crimes. Brass ne croit guère à cette hypothèse. De leur côté, Catherine et Sara tentent de recueillir des indices dans la chambre d'un étudiant. Le jeune homme a été retrouvé mort dans sa douche. Il pourrait avoir été tué par l'un de ses camarades. Les éléments recueillis sur le terrain devraient en fournir la preuve...
Le corps d'une femme en état de décomposition est découvert dans un placard de son domicile. Le principal suspect est le neveu de la victime. Grissom et Willows apprennent que ce dernier n'a jamais prêté attention à sa tante et qu'il lui aurait soutiré de l'argent. Au fil de l'enquête, les policiers se rendent compte qu'ils font fausse route. Cet homme sans cœur n'aurait pas eu le cran d'assassiner la vieille dame...
Le cadavre d'un nourrisson est découvert sur le siège arrière d'une voiture garée en plein soleil. Catherine est chargée du dossier. Sara et Nick s'occupent, quant à eux, de la mort d'une femme retrouvée noyée dans un lac. Quant à Warrick, il enquête sur le décès d'un homme qui se trouvait dans son fauteuil de massage.
La nuit, une femme roule sur une route de Las Vegas. Soudain, elle entend un bruit sourd : elle vient de heurter quelque chose, un animal croit-elle. En s'approchant du cadavre qui gît sur la chaussée, elle s'aperçoit qu'il s'agit en fait d'un homme affublé d'un costume insolite. L'équipe du CSI confirme ses premières impressions et s'interroge sur les raisons d'une telle mise en scène. Cet étrange raton laveur serait-il la mascotte d'une équipe sportive ou le personnage d'un show télévisé de leur enfance ? Parallèlement, Grissom et ses experts enquêtent sur le meurtre d'une femme, abattue alors qu'elle se trouvait dans une chambre froide...
Le vétérinaire de la ville de Jackpot, dans le Nevada, reçoit un colis macabre : une tête d'homme en état de décomposition. Sur place, Grissom, aidé par le shérif de la localité, découvre dans la forêt un corps enterré debout et sans tête. Les premiers éléments de l'enquête révèlent que la victime a été torturée avant d'être achevée par un animal.
Les enquêteurs soupçonnent Michael Fife d'être coupable du viol et de l'assassinat de Rachel Lyford. Ils possèdent des éléments solides pour l'inculper, mais lors du procès, les événements prennent une tournure inattendue. L'arme du crime et une serviette tachée de sang ont été découvertes dans le véhicule de Fife, mais la défense juge ces preuves irrecevables car la fouille orchestrée par Warrick était illégale.
La disparition de Julie Waters, une danseuse qui souhaitait devenir mannequin, met en émoi Las Vegas. Tous les médias s'intéressent à l'affaire et les regards se portent bientôt sur Howard Delhomme, un photographe, qui devient le premier suspect. Mais celui-ci refuse de coopérer avec la police. Il accepte de parler à une seule personne : Catherine.
Le shérif Rory Atwater sort d'un restaurant de Las Vegas lorsqu'il est témoin de l'explosion d'une voiture devant l'entrée d'un hôtel. Les secours arrivent sur place, ainsi que Catherine, Nick et Grissom, qui sont chargés de l'enquête. D'autre part, Sarah et Warrick tentent de découvrir qui a assassiné l'épouse d'un chanteur très populaire.
Le corps d'un adolescent battu à mort est retrouvé sur un chantier. Chargé de l'enquête, Grissom est convaincu d'avoir affaire à un crime passionnel. Les coups ont en effet été portés avec une rare violence et semblent indiquer un geste rageur et irréfléchi. Les blessures relevées sur le crâne ont apparemment été infligées par un marteau. Les policiers s'intéressent surtout aux ouvriers qui travaillent sur le site. Ont-ils tout révélé de ce qu'ils savaient ? Cherchent-ils à dissimuler des informations ? Avec l'aide de Catherine, Nick tente de comprendre les circonstances du meurtre d'une femme dans son jardin...
Durant une pause déjeuner, un juré meurt dans la salle de délibération d'un procès. Les onze personnes qui siégeaient avec lui sont des suspects potentiels. De son côté, Nick Stokes reprend une affaire classée depuis quatre ans. Une femme accuse son beau-frère du meurtre de sa sœur, dont le corps n'a jamais été retrouvé.
Une femme est retrouvée morte chez elle. Sa ressemblance physique avec Sara trouble Grissom et le pousse à s'investir dans cette affaire. Beaucoup de choses lui reviennent en tête, notamment certaines décisions qu'il a pris dans le passé. Peu après, le corps démembré du principal suspect est retrouvé dans les poubelles du quartier.
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