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.
Un joueur de poker renommé est décédé après avoir été victime de violentes convulsions au milieu d'une partie aux enjeux considérables. Tout porte à croire qu'il s'agit d'une mort naturelle, mais Grissom pense à un acte malveillant.
Le corps de Kim, une femme d'origine asiatique, est découvert dans une chambre d'hôtel. Tom Haviland, un comédien, avoue avoir passé la nuit avec elle et une autre jeune femme prénommée Tania. En examinant ses mains, Grissom décèle des traces de sang.
Grissom et Catherine enquêtent sur le meurtre d'un couple fortuné, dont les cadavres ont été retrouvés à l'arrière de leur luxueuse villa de Las Vegas. Compte tenu des circonstances, Grissom sait qu'il navigue en terrain miné. Sur une affaire aussi sensible, il n'aura pas le droit à l'erreur. Or, les indices sont minces. Il note simplement que la maison était à vendre. Pendant ce temps, Sara travaille sur une affaire sordide et peu ordinaire. Un homme a été retrouvé éviscéré sur un terrain de football. Les premiers éléments de l'enquête semblent indiquer que le meurtrier aurait mangé les organes de sa victime. Est-ce l'oeuvre d'un tueur en série ?
Une personne de petite taille s'est pendue dans la chambre d'un hôtel. Sur place se tenait une convention traitant des problèmes rencontrés par les nains. Les policiers, qui pensent que la victime était déprimée, concluent assez rapidement à un suicide. Grissom n'est pas de cet avis et cherche des indices qui pourraient étayer la thèse du meurtre. Quelques éléments lui semblent troublants, mais ils ne sont pas suffisamment probants pour alerter un juge. Catherine, attaquée sur les lieux du crime, donne à Grissom l'argument qu'il attendait. Pendant ce temps, un homme est assassiné après un casse qui a mal tourné. Les cadavres s'accumulent. Grissom espère résoudre toutes ces affaires...
Une femme a disparu mystérieusement au cours d'un spectacle de magie. Volontaire pour s'introduire dans une boîte, elle n'est pas réapparue à la fin du numéro, laissant sur le siège des traces de sang. Grissom est chargé de l'affaire. De leur côté, Catherine et Nick enquêtent sur le décès suspect d'un chanteur de rock.
Depuis quinze ans, John Mathers attend dans le couloir de la mort l'exécution de sa peine. Catherine Willows, qui avait mené l'enquête au moment de son arrestation, était parvenue à le faire emprisonner pour plusieurs meurtres. Les victimes, toutes des étudiantes, avaient été retrouvées dans des sacs poubelle. Tous les indices recueillis à l'époque conduisaient à John Mathers. Peu de temps avant sa mise à mort, le détenu bénéficie d'un dernier contrôle ADN. Les analyses doivent permettre de l'innocenter ou de confirmer le jugement. Alors que Catherine attend le rapport des scientifiques, un crime, identique à ceux reprochés à John Mathers, est commis...
Un champion de boxe, qui s'apprête à disputer un combat, ne sait pas encore qu'il monte sur le ring pour la dernière fois. Lors des échanges de coups, il s'effondre. Les médecins sont impuissants à le ranimer. Les experts arrivent sur les lieux pour faire les premières constatations d'usage. Grissom est persuadé qu'il s'agit d'un meurtre, et non d'un accident comme il s'en produit parfois dans ce type de sports de combat. Sur place, Catherine collecte de nombreux indices. Nick, de son côté, cherche à comprendre comment des cambrioleurs ont pu s'attaquer à une bijouterie. En cherchant les traces qu'auraient pu laisser les malfrats, il tombe sur un détail intéressant qui le met sur une piste...
L'équipe visionne un film pornographique dans lequel une femme semble être assassinée d'un coup de couteau. La scène semble trop réelle pour être une fiction. Grissom enquête sur le cadavre retrouvé dans un coffre à outils. Il a été dévoré par des fourmis rouges. Les enquêteurs parviennent à l'identifier. Il s'agit d'un jeune trisomique disparu 17 mois auparavant. Il était garçon d'écurie.
Distrait par une passagère, un chauffeur de taxi a l'impression d'avoir heurté quelque chose à un carrefour. Sorti de son véhicule, il constate que le corps d'un adolescent gît la chaussée. La victime a apparemment été tuée sur le coup. Le conducteur tente d'appeler au secours mais il est molesté par des témoins qui l'accusent de meurtre. Sur place, Grissom découvre que le jeune homme a en fait été poignardé.
Grissom, Warrick et Nick enquêtent sur une affaire épineuse. Un homme a été retrouvé au bas d'un immeuble. Il se serait jeté du sixième étage. Le légiste, après un premier examen, est toutefois formel : la victime a été assassinée avant d'être lancée dans le vide. Le meurtrier voulait sans doute faire croire à un suicide. Catherine se rend dans le bar où la victime avait ses habitudes.
Le contremaître d'une entreprise spécialisée dans l'emballage de viande découvre un bras humain dans un broyeur. L'examen des doigts permet l'identification de la victime, un chef cuisinier des environs. Grissom et Willows découvrent dans le restaurant de la victime, plusieurs blouses maculées de sang. Parallèlement, Sara enquête sur le suicide d'une jeune femme. Elle se serait tailladé les veines.
Au cours d'une session d'observation de la nature, un groupe d'ornithologues à l'affût découvre un corbeau portant un globe oculaire dans son bec. Rien d'étonnant, a priori, pour un oiseau omnivore de son espèce. Sauf que l'organe en question est assez grand pour appartenir à un homme. Dépêchés dans la région, les spécialistes ouvrent une enquête complexe. En effet, leurs rares pistes les mènent vers un homme, divorcé et père de deux enfants, que tout semble tenir loin du crime. Pendant ce temps, Warrick et Grissom travaillent sur une tout autre affaire. En effet, ils sont contraints d'enquêter sur la mort d'un certain David, un homme employé dans une concession automobile. Là encore, les policiers doivent affûter leur sens de l'observation et de la déduction...
Holly Gribbs, tout juste sortie de l'école de police, rejoint le laboratoire de médecine légale dirigé par Gil Grissom. Ce dernier tente, avec l'aide de Catherine Willows et de Nick Stokes, de réunir les preuves matérielles qui permettent d'élucider certaines enquêtes. Un homme est retrouvé mort dans son appartement, une balle en pleine poitrine. Il a laissé une cassette audio dans laquelle il confie qu'il préfère se suicider.
Sara ressort un dossier, classé sans suite, qui concerne une amie. Cette dernière a été blessée par balles trois ans plus tôt, lors d'une attaque au cours de laquelle son mari a perdu la vie. Elle doit maintenant subir une nouvelle intervention chirurgicale. Pendant ce temps, Catherine enquête sur une série d'incidents liée à un voyeur.
Grissom et Stokes enquêtent sur le meurtre de deux hommes qui louaient leurs services pour des liaisons sadomasochistes. Au cours de leurs investigations, ils rencontrent lady Heather, qui dirige un réseau de services très particuliers. Au même moment, Catherine reçoit un appel de sa fille.
Un véhicule multiplie les embardées avant de s'immobiliser juste devant un casino. Le conducteur de la voiture est mort, un pieu planté dans la tête. Etrange meurtre, que les experts vont tenter d'élucider le plus rapidement possible, avec toute la rigueur scientifique qui les caractérise. Ils recueillent le maximum d'indices sur le lieu du drame afin de faire avancer leur enquête, qui s'oriente rapidement vers une histoire de vampirisme. Pendant ce temps, Catherine et Warrick se lancent à la recherche du meurtrier d'un garçon de 5 ans, fils d'une star de la NBA. Qui avait intérêt à tuer l'enfant ?
Les enquêteurs sont à nouveau confrontés à une affaire délicate. Une octogénaire a perdu le contrôle de sa voiture et s'est encastrée dans la vitrine d'un restaurant bondé, faisant trois morts et plusieurs blessés. Le petit ami de Sara, un auxiliaire médical, présent sur les lieux de l'accident, figure au nombre des blessés. Les experts tentent de déterminer si la conductrice a simplement manqué d'attention ou bien si elle a agi délibérément, comme le laissent supposer certains éléments. Par ailleurs, Grissom et Nick font une découverte macabre : le corps d'une femme, morte par asphyxie dans sa chambre...
Un corps en décomposition est découvert dans un baril de déchets toxiques. Catherine, Nick et Sara sont chargés de l'enquête, qui démarre difficilement, car les médecins légistes peinent à identifier la victime probablement morte depuis plusieurs mois. Robbins découvre un indice crucial : une bague ornée de symboles grecs.
Le cadavre d'un homme a été retrouvé dans une salle de cinéma, un tournevis planté dans la nuque. Après avoir recueilli les premiers indices, l'équipe analyse l'arme du crime dans l'espoir qu'elle leur livrera quelques secrets. Un fait marquant pourrait orienter l'enquête : une femme rousse s'est levée juste au moment où l'homme a été tué.
Grissom et Catherine enquêtent sur la mort d'un humoriste qui s'est écroulé en plein spectacle. Après avoir reconstitué ses derniers gestes en interrogeant les témoins, les experts en arrivent à la conclusion que c'est après avoir bu une bouteille d'eau minérale que la victime s'est effondrée. Le mystère s'épaissit lorsqu'un adolescent meurt, à l'autre bout de la ville, après avoir consommé de l'eau de la même marque. Il faut d'urgence analyser le produit en cause, l'identifier et déterminer s'il s'agit d'une pollution involontaire ou d'un tueur maniaque. L'épidémie risque de toucher toute la ville et de susciter la panique...
Le crime pour lequel sont appelés les experts n'est pas banal. Lors d'un voyage en jet privé, une femme, Harper Fitzgerald, dresseuse de chevaux, a été piétinée par l'un de ses équidés. Après les faits, l'animal est mort subitement. Grissom et Catherine effectuent les premiers examens : ils découvrent avec surprise des diamants dans le cadavre du cheval. Tout porte à croire qu'il servait de mule à des trafiquants de pierres précieuses. Grissom, toujours sceptique, ne croit pas forcément à l'hypothèse du meurtre prémédité. Catherine, quant à elle, a déjà son opinion sur l'affaire. De leur côté, Sara et Warrick se retrouvent en plein désert pour enquêter sur une histoire qui ressemble fort à la tragédie de Roméo et Juliette...
Le cadavre d'Alison Carpenter est découvert par les enquêteurs peu de temps après sa mort. Le corps de la jeune femme a été laissé sur le terrain de football d'un lycée. Sara et Nick retrouvent la voiture de location de la victime et découvrent à l'intérieur des indices, notamment des traces de relations sexuelles et de consommation de drogue.
Alors qu'il se trouve à la banque, le détective Cyrus Lockwood est témoin d'un casse. Pour protéger une femme et son enfant, il décide d'intervenir, mais il est abattu. Les braqueurs se dirigent vers la salle des coffres, mais dérobent seulement le contenu d'un coffre, appartenant à un certain Sam Braun, une vieille connaissance de Catherine.
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