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.
Une femme est retrouvée morte dans les coulisses du nouveau spectacle du Cirque du Soleil. La victime est inconnue des membres de la troupe d'acrobates. La même nuit, un homme se suicide lors d'une fête donnée par Sam, le père de Catherine, pour célébrer la construction de son nouveau casino. Des indices laissent penser à Brass qu'il s'agit d'un meurtre.
Grissom enquête sur le meurtre d'Izzy Delancy, une rock star. Sur la scène de crime, le meurtrier a laissé une maquette, reproduction parfaite à une échelle de 1/20e, de la cuisine où la victime a été assassinée. De son côté, Catherine se réveille complètement assommée dans la chambre d'un motel. Elle est persuadée d'avoir été violée la nuit précédente.
Cinq personnes sont mortes au même moment. Brass et Catherine étudient le cas de Donna, ancienne policière à San Francisco qui travaillait au noir comme garde du corps. Warrick et Sofia enquêtent sur la mort de Rebecca, ex mannequin, tuée alors qu'elle venait de se marier. Nick et Greg se chargent du dossier de Jack, un vétéran qui a combattu en Irak, abattu devant son épouse et sa fille.
Le plongeur d'un casino a été battu à mort dans le parking en sortant de son travail. Puis c'est au tour d'une jeune fille d'être agressée violemment. Peu après, alors que Greg patrouille dans la rue, il voit un attroupement. Des silhouettes cagoulées assaillent une personne déjà à terre. il tente de s'interposer, en vain. Pour l'équipe, il s'agit de d'arrêter d'urgence les membres de cette bande cagoulée et grimée qui écume les rues de Las Vegas.
Charlotte Danville, une chanteuse qui travaillait dans un bar, a été crucifiée dans une église. Nick et Warrick sont chargés de l'enquête. Bientôt, ils interrogent le père Frank Berlin, qui dans un premier temps, nie connaître la victime. Mais très vite, les enquêteurs apprennent que l'ecclésiastique était très proche de Charlotte. Tout comme un certain Cody White, vendeur de voitures à la télévision.
Grissom est chargé d'enquêter sur la disparition de deux jeunes garçons. L'un des enfants vivait avec son grand-père, un homme très autoritaire, mais ce dernier ne semble pas très inquiet de la disparition de son petit-fils. De son côté, Nick est envoyé sur les lieux d'un incendie criminel. La maison sinistrée appartient à un certain Fisher, un pédophile bien connu des services de police.
Grissom enquête sur le meurtre d'une femme de 65 ans. Elle a été retrouvée criblée de bouts de verre provenant de la fenêtre de son salon. L'autopsie révèle qu'elle était en phase terminale d'un cancer du poumon. Elle hébergeait un jeune neveu, un garçon instable et toxicomane. De son côté, Greg s'inquiète d'une audition qui devrait prouver sa culpabilité ou non dans la mort accidentelle d'un adolescent.
Des vraies jumelles, qui ont été séparées à la naissance, sont retrouvées mortes la même nuit à deux heures d'intervalle. L'une a été tuée par balle, l'autre a été découverte sans vie dans une maison. Tout semble indiquer que la seconde s'est suicidée, car son corps est pendu au plafond, une laisse de chien autour du cou. Cependant, la mort violente de sa soeur la même nuit est une coïncidence troublante, qui amène les enquêteurs à s'orienter vers une piste criminelle. Gil Grissom et son équipe fouillent dans le passé des deux victimes pour tenter de comprendre le déroulement des événements et mettre la main sur le ou les criminels...
La voiture d'un parrain de la pègre, disparu dans les années 1970, a été retrouvée au fond d'un lac. À son bord, un squelette. Dans les vingt-quatre heures qui suivent cette découverte, quatre proches de l'ancien caïd sont assassinés. À chaque fois, l'assassin se laisse photographier ou filmer par les caméras de surveillance avec la victime.
Un homme a été retrouvé sur un chantier, immergé jusqu'à la taille dans du béton. Près de lui, gît le cadavre d'une femme qu'il affirme ne pas connaître. Dans le même temps, une vieille dame a été assassinée chez elle. Le tueur a bloqué sa tête dans le four afin de faire croire à un suicide. Par ailleurs, Grissom se rend dans un élevage de poulet, où un employé a trouvé la mort dans la machine destinée à électrocuter les volailles.
Catherine témoigne dans le procès d'un homme accusé d'avoir tué sa propre mère trois ans plus tôt, mais l'homme est jugé non coupable. Pourtant, Catherine est convaincue de sa culpabilité et pense même qu'il a pu tuer deux autres personnes. Les analyses ont révélé que l'arme de crime, un couteau comportait la trace de quatre groupes sanguins. Catherine découvre bientôt qu'il y avait un jeune témoin.
L'arrivée d'un nouveau collaborateur, Michael Keppler, qui a intégré l'équipe en l'absence de Grissom, attise de nombreuses tensions entre les détectives. Mais le meurtre d'une jeune fille oblige tout le monde à mettre un terme aux rancœurs qui les animent. Surtout qu'il semblerait que la victime ait été assassinée par un tueur en série...
Keppler convainc Catherine de l'aider à falsifier une scène de crime, trompant ainsi leurs collègues. Son but est de mettre enfin la main sur le plus gros fournisseur de drogue de la côte Est. Celui-ci est également le premier suspect du meurtre d'un élu parlementaire, dont le cadavre a été découvert en plein désert. Mais pendant que Keppler met son plan en place, peaufinant les détails pour ne prendre aucun risque, le suspect disparaît sans laisser de traces. De plus, les collègues de Catherine s'aperçoivent que des éléments sont manquants dans ses analyses...
Un cadavre portant des marques de brûlures et des cicatrices a été découvert par la police de Las Vegas. Les experts sont immédiatement appelés afin de récolter tous les indices possibles et de mener l'autopsie. Ils comprennent alors qu'ils ont sans doute affaire à une bande de trafiquants d'organes qui opéreraient directement au Nevada. Outrés par cette découverte, Nick et Michael entreprennent d'en savoir plus. Pendant ce temps, le reste de l'équipe mène une enquête sur la mort d'une femme, assassinée dans sa maison...
Alors que Gil Grissom revient de son congé sabbatique, un policier à la retraite est retrouvé mort en compagnie d'une prostituée dans une chambre d'hôtel. En proie à des flash-backs toujours plus douloureux, Michael Keppler découvre qu'un de ses vieux amis semble lié à l'affaire.
Grissom reçoit par courrier la maquette d'une scène de crime. En analysant les pièces, l'expert parvient à identifier l'affaire en question et découvre que le meurtrier en cause est mort. En réalité la maquette reproduit un lieu réel mais que le meurtre représenté ne s'est pas encore produit.
Grissom et son équipe enquêtent sur la disparition de la star de l'équipe de basket d'un lycée et de sa petite amie, une pom-pom girl. Des traces de sang sont découvertes sur le parking, puis sur le stade. Les enquêteurs pensent que les camarades des deux adolescents leur cachent quelque chose. Grissom penche plutôt à une escapade au Mexique.
Six jeunes femmes, danseuses de cabaret, ont été sauvagement agressées dans la maison qu'elles partagent. L'une d'entre elles, qui a réussi à se cacher sous un lit, est encore en vie. Sara a juste le temps de recueillir ses confidences avant que la jeune femme ne meure à son tour. Warrick pense reconnaître l'une des victimes. Parallèlement, Greg apprend des choses qui pourraient nuire à la carrière de Grissom.
Un homme est retrouvé mort dans une limousine accidentée devant un club de strip-tease. Peu après, la police identifie le cadavre d'une femme sur un bas-côté. Elle semble avoir été traînée sur plusieurs mètres par une voiture. L'équipe découvre rapidement que les deux affaires sont liées. Greg apprend que le frère d'un suspect qu'il avait tué en situation de légitime défense était présent sur les lieux.
Alors que les enquêteurs sont envoyés sur le terrain, Hodges convainc ses collègues du laboratoire, Archie, Henry, Mandy et Wendy, d'enquêter, dans le plus grand secret, sur les meurtres du tueur qui laisse des maquettes miniatures sur ses scènes de crime. Peut-être trouveront-ils des indices ayant échappé à l'équipe...
Surnommé «Happy», l'ancien boxeur Lorenzo Morales est retrouvé mort dans la piscine d'une maison close de la grande périphérie de Las Vegas. La cause du décès est difficile à déterminer. Son porte en effet de nombreuses traces de coups et les blessures sont variées. Lors de l'enquête, les agents découvrent que le personnel de l'établissement n'appréciait pas les manières frustes du boxeur.
La police prend d'assaut le ranch où s'est retranché un forcené. Après son suicide, les enquêteurs découvrent des morceaux de corps dissimulés en divers endroits de la propriété. Les investigations mènent l'équipe à s'intéresser à un club dont les membres croient en l'existence d'ovnis. Ceux-ci sont persuadés que des extraterrestres reptiliens, des serpents, tentent d'envahir la Terre.
Lady Heather, une prostituée dominatrice, échappe de justesse à une tentative d'assassinat dans un club. La jeune femme refuse de dévoiler l'identité de son agresseur, l'un de ses clients. Cette victime hors-norme, à qui Grissom est attaché, met Sara particulièrement mal à l'aise. Brass interroge le propriétaire du club. De leur côté, Nick et Warrick enquêtent sur la mort d'une jeune kleptomane.
Grissom et ses hommes découvrent enfin l'identité du tueur à la maquette grâce à des traces ADN trouvées chez sa dernière victime. La surprise est de taille : il s'agit d'une toute jeune fille au passé familial violent et très perturbée psychologiquement. L'enquête force Grissom et Sara à dévoiler la nature de leur relation au reste de l'équipe.
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