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.
L'équipe de Gil Grissom est sollicitée au cours d'une nuit très mouvementée : au fil des heures, de nouveaux cadavres sont découverts à travers Las Vegas. Le premier cas concerne un homme retrouvé en costume d'extraterrestre. Un autre flotte dans la baignoire d'un motel, visiblement électrocuté. Ailleurs, c'est une femme qui gît dans une chambre, aux côtés d'un homme qui ne se souvient de rien. Enfin, dans un bar de la ville, les enquêteurs tentent de comprendre pourquoi un individu mort tient dans la main la photo d'un autre cadavre. Méthodiquement, les policiers se mettent au travail pour rétablir les faits...
Depuis plusieurs jours, une pluie s'abat sans discontinuer sur Las Vegas. Dans les rues et ruelles détrempées, la vie suit son cours. Mais le ruissellement met au jour les restes d'un corps décomposé. Les enquêteurs planchent aussitôt sur cette macabre découverte et tentent de mettre un nom et un visage sur le cadavre inconnu. Au cours de leurs investigations, les experts tombent sur d'autres restes humains, des os appartenant à un autre cadavre. Auraient-ils affaire à un tueur en série ? Qu'est-il arrivé aux deux individus qui reposent maintenant sur leur table d'autopsie ? C'est ce que les experts s'attachent à découvrir...
Alicia, une adolescente, a été enlevée. Au moment des faits, elle se trouvait dans la voiture de sa soeur, April. Selon le témoignage d'April, le ravisseur serait un homme d'une trentaine d'années, au volant d'un véhicule immatriculé dans l'Etat du Nevada. Mais Brass apprend qu'April a déjà eu des démêlés avec la police pour avoir tenté de vendre de l'héroïne. En inspectant l'ordinateur de la jeune fille, les enquêteurs découvrent qu'elle a visité de nombreux sites médicaux. Daniel, son frère, a en effet besoin d'une transplantation...
Une femme est retrouvée morte dans une chambre d'hôtel. Son corps présente tous les symptômes du virus Ebola. Catherine et Nick sont chargés de l'enquête. C'est alors qu'un autre cadavre présentant les même signes est découvert. Le moindre retard pourrait avoir des conséquences terribles et les deux enquêteurs mettent les bouchées doubles. Les premiers indices les mènent à un centre de balnéothérapie spécialisé dans le traitement des effets du vieillissement. Pendant ce temps, Sara et Greg enquêtent sur un autre décès suspect : un homme gît sur le sol de sa maison, tout récemment traitée contre les termites...
Sara et Grissom sont chargés de découvrir dans quelles conditions est morte une femme qui avait participé à une soirée échangiste. Le légiste découvre dans les poumons de la victime de l'eau. Son analyse montre qu'elle vient de la piscine d'un des convives. Catherine souhaite se retrouver à la tête de l'équipe de jour.
Des étudiants participent à un bizutage lorsqu'ils découvrent une dent humaine au milieu d'asticots. Grissom rapproche cette affaire de celle traitée quelque temps plus tôt par Catherine Willows. Un certain John Mathers avait été incarcéré pour une série de crime atroces. Grissom comprend qu'une course contre la montre est engagée.
Le corps d'une adolescente de 17 ans est retrouvé dans la suite d'un hôtel-casino. Aidé par Sophia Curtis, de l'équipe de jour, Grissom enquête. Ils découvrent que ce meurtre est lié à une affaire d'enlèvement. Tous les détectives se mobilisent.
Une conductrice, à laquelle la police avait demandé de ranger sa voiture sur le bas-côté pour un contrôle, est retrouvée morte quelques kilomètres plus loin. Robbins découvre bientôt que la victime n'est pas, d'un point de vue génétique, une femme.
Durant le procès des meurtriers présumés du propriétaire d'un restaurant, Grissom découvre une nouvelle preuve qui réfute les conclusions de la police scientifique. Cet élément inattendu justifie que l'enquête soit rouverte et reprise à son tout début. Ecklie entame aussitôt une procédure contre Grissom et son équipe. Les résultats des investigations menées par Conrad Ecklie ne sont pas pour plaire aux policiers, puisqu'ils remettent profondément en cause leurs conclusions. D'importants changements pourraient bien être à l'ordre du jour. La situation est tendue et la crise couve au sein de l'équipe...
Grissom et son équipe enquêtent sur la mort par cachexie d'un enfant de 5 ans, retrouvé dans une caisse en plastique au milieu des poubelles. Le garçonnet avait des frères et soeurs, qui sont désormais eux aussi en danger. Tandis que Grissom tente de résoudre ce cas difficile, Catherine cherche à savoir qui a pu assassiner un prisonnier, tué lors d'une bagarre avec d'autres détenus. L'altercation a eu lieu en cellule et aucun indice ne permet, pour l'instant, d'orienter les recherches dans une direction ou dans une autre. Il pourrait s'agir d'un règlement de comptes entre prisonniers, mais aussi d'une bavure des gardiens...
L'heure de l'examen final de Greg approche. Essayant de garder son sang-froid, il est plus que jamais déterminé à acquérir le statut d'expert. Afin de montrer ses aptitudes sur le terrain, il doit déterminer comment un détective, membre d'un club de passionnés de Sherlock Holmes, a été tué. Les indices laissés sur place sont maigres, mais Greg ne baisse pas les bras. De leur côté, Nick et Warrick tentent de comprendre comment le conducteur d'une voiture est décédé. Quant à Conrad, il s'est mis en tête de surveiller les faits et gestes de Catherine. Chaque enquêteur est tenu de faire attention à ne pas dépasser le budget...
Deux enquêtes occupent les agents, deux meurtres. On a retrouvé le cadavre d'un homme, ainsi qu'une tête de femme, un crotale enfoncé dans la gorge. Nick se voit confier l'enquête sur la femme décapitée, tandis que Warrick se charge de la seconde affaire. Il réalise peu à peu que le meurtrier pourrait être handicapé. Quant à Nick, il se retrouve immergé dans le monde très glauque du Narcocorrido, un univers artistique fait de violence et de drogue. Son enquête s'annonce difficile et dangereuse...
Catherine, Warrick et Nick retrouvent les cadavres de deux jeunes femmes, encastrés dans un bloc de goudron sur un chantier. Celles-ci étaient d'origine russe et ont apparemment été victimes d'un vaste trafic orchestré par une agence matrimoniale proposant des unions entre Russes et Américains. Pendant ce temps, Ecklie suspend Sara pour insubordination.
Sofia, Sara, Grissom et Greg sont chargés d'une affaire de disparition. Une femme, qui regagnait son domicile tard dans la nuit, s'est mystérieusement volatilisée. Sa voiture a été retrouvée, vide, abandonnée sur le bord d'une autoroute. Les enquêteurs découvrent que la disparue avait passé une grande partie de la nuit avec un ami, qu'ils interrogent, mais sans pour autant en apprendre plus sur ce qui les préoccupe. Pendant ce temps, Catherine, Warrick et Nick sont envoyés sur une autre affaire : un chasseur a été retrouvé mort, la dépouille d'un ours brun qu'il venait d'abattre à côté de lui...
Bruce Eiger, un homme d'affaires et célèbre joueur de Las Vegas, meurt en tombant du balcon de sa propriété. Ecklie ordonne à Willows et à Grissom d'enquêter sur l'affaire. Cherchant à savoir si l'homme a sauté ou s'il a été poussé, ils ne tardent pas à découvrir que l'homme connaissait des secrets sur toutes les personnalités de Las Vegas.
Sara, Grissom et Greg enquêtent sur la mort d'un homme étouffé sur le lit d'une chambre d'hôtel, où se déroule un congrès de personnes obèses. Par ailleurs, un cadavre dont le visage a été effacé par une décharge de chevrotine est retrouvé en pleine nature.
L'employée d'une compagnie aérienne est retrouvée sans vie dans la chambre d'un hôtel malfamé. Elle a été violée et poignardée à plusieurs reprises. Mais le tueur n'a laissé aucune trace. De son côté, Catherine enquête sur la mort d'un garçon de 12 ans, massacré dans son lit alors que ses parents étaient dans la pièce voisine.
Un homme est mort dans un violent incendie et une femme a été gravement blessée. Gil Grissom est dépêché sur les lieux du sinistre avec Sara Sidle et Nick Brass. Parallèlement, un triple meurtre accapare Catherine et ses coéquipiers : une famille a été décimée dans sa propre maison.
Dans un quartier défavorisé de Las Vegas, un automobiliste prend la fuite après avoir percuté une voiture de sport. Les inspecteurs recueillent des indices sur place afin de l'identifier. Par ailleurs, les agents enquêtent sur le meurtre de Lisa Schumacher, une hôtesse qui a été retrouvée battue et étranglée. Deux autres cas difficiles viennent ensuite s'ajouter à l'emploi du temps déjà chargé des enquêteurs.
Brass se rend à Hollywood pour retrouver une amie de sa fille, Ellie, qui a disparu. Sur place, il rencontre Annie Kramer, capitaine de la police de Los Angeles. Mais peu après la jeune fille est retrouvée morte, Brass fait alors appel à Warrick, venu pour une conférence, et lui demande de l'aider pour l'enquête.
Un crime sauvage a eu lieu dans un hôpital psychiatrique. Grissom et Sara ne tardent pas à comprendre que des patients et des membres du personnel pourraient être responsables du meurtre. Pendant ce temps, Catherine et son équipe se penchent sur la mort d'un jeune homme dont les causes du décès semblent mystérieuses.
Un soir, Catherine se rend dans un bar et rencontre un inconnu. Lorsqu'elle refuse ses avances, l'individu devient agressif mais elle parvient toutefois à s'en défaire. Dans la nuit, Grissom la contacte pour enquêter sur le meurtre d'Alice Ranger.
Grissom et Sara enquêtent sur le décès de deux étudiants dont les corps ont été retrouvés dans un dortoir. Pendant ce temps, Warrick, Nick et Catherine doivent élucider le mystère d'un cadavre retrouvé dans un champ au milieu de ce qui semble être la marque d'atterrisage d'un vaisseau extraterrestre.
Un nouveau crime a été commis à Las Vegas. Warrick et Nick jouent à pile ou face pour savoir lequel des deux se rendra sur place. Nick remporte la partie et part seul. Sur les lieux du crime, il relève plusieurs indices au milieu de la route. C'est alors qu'il est assommé par un inconnu et enlevé. Lorsqu'il revient à lui, il découvre avec horreur qu'il est prisonnier d'un cercueil de verre enterré.
Nick est enfermé dans un cercueil de verre, sous terre, avec comme seule compagnie son arme, des bâtonnets de lumière et un magnétophone. Le ravisseur, au sommet du cynisme, retransmet en direct son agonie via une caméra. Pour le retrouver, Gil et son équipe tentent de mettre bout à bout les minces indices qu'ils possèdent.
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