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.
Au petit matin, Grissom entend un appel radio provenant d'une voiture de patrouille stationnée à quelques mètres de lui. Un officier de police a été blessé. Comme il se trouve non loin du lieu des événements, il décide de s'y rendre à la hâte. Sur place, il découvre, choqué, un membre de son équipe gisant dans son sang. Les enquêteurs se lancent dans une course contre la montre pour retrouver le coupable.
Nick et Catherine enquêtent sur le suicide présumé d'une jeune femme qui devait prochainement se marier. Ils apprennent qu'elle venait d'être licenciée de la banque où elle travaillait pour avoir été soupçonnée de vol. De son côté, Grissom s'intéresse à la mort violente d'une femme dans une ruelle, tandis que Sara, de passage à Las Vegas, se charge de soutenir un homme qui a euthanasié son épouse.
Le corps d'une jeune femme est découvert dans un parc, debout. La rigidité cadavérique de la dépouille est totale. Les jours suivants, d'autres victimes sont retrouvées, à chaque fois leurs corps scrupuleusement mise en scène de façon macabre. Dans le même temps Grissom, qui souffre de troubles de la concentration, en discute avec la psychologue Patricia Alwick. Riley Adams, une nouvelle experte, intègre l'équipe.
Nick et Riley, la nouvelle recrue, sont témoins d'un braquage commis par un homme déguisé en policier. Leur course-poursuite les amène au corps sans vie d'une jeune femme, fille d'un parrain de la drogue de Las Vegas activement recherché. Les vidéos des caméras de surveillance d'un club voisin montrent qu'elle y avait passé la nuit précédant sa mort, et qu'elle en était sorti escortée par des videurs.
Le corps d'un homme est découvert, attaché sous une voiture, le visage en charpie, sur le bord d'une route qui traverse le désert. L'équipe des experts part sur une piste qui les mène jusqu'à un club sadomasochiste de la ville. Grissom se rend chez Lady Heather, une figure de ce milieu, pour lui demander de l'aide sur cette affaire. Il en profite pour lui parler de sa relation avec Sara.
Une fusillade éclate lors d'une fête dans le quartier coréen de Las Vegas. Les deux victimes sont une jeune junkie et un homme qui était sorti de prison le jour-même. Les habitants se montrent peu coopératifs avec les enquêteurs. Grissom se lance à la recherche d'un jeune garçon qui semble avoir été le témoin principal du drame. L'enquête révèle que les victimes étaient son oncle et sa mère.
Une femme a été abattue à son domicile et sa fille est grièvement blessée. Les soupçons des enquêteurs s'orientent vers le mari qui avait été le principal suspect dans une affaire d'homicide douze ans auparavant. Parallèlement, Grissom assiste à l'audience ayant pour but de décider du transfert ou non de Natalie Davis de l'établissement psychiatrique où elle est soignée vers un centre carcéral.
A Las Vegas, le corps d'une jeune femme, candidate à l'émission Star de demain, est retrouvé dans un quartier éloigné du centre-ville. Comme elle était demi-finaliste du jeu, les pistes s'orientent d'abord vers les autres candidats. Mais l'enquête conduit finalement les experts jusqu'à un ancien casino où chantait autrefois la grand-mère de la victime. Le meurtre serait lié à une sombre histoire du passé.
Grissom surprend tous ses coéquipiers en leur annonçant sa décision de quitter prochainement l'équipe. Les investigations sur un meurtre orientent les experts vers un célèbre tueur en série, ce qui retient toute leur attention. Seul problème : le merutrier est déjà en prison ! Afin de faire la lumière sur cette surprenante affaire, Grissom demande l'aide du docteur Raymond Langston, un célèbre pathologiste.
L'équipe des experts se démène pour résoudre la dernière affaire de meurtre sur laquelle Grissom travaille avant qu'il ne quitte son poste. Le professeur Langston continue de leur apporter son aide, tandis qu'une dernière victime et le complice du tueur en série restent introuvables. Grissom n'hésite pas à proposer à Langston de le remplacer à l'avenir.
C'est le premier jour du docteur Langston en tant qu'enquêteur au sein de l'équipe des experts. Avec ses collègues, il est envoyé sur le lieu d'un cambriolage. Mais sur place, ils découvrent le corps de l'occupant des lieux, un professeur de gymnastique, mort carbonisé. Ils réalisent vite qu'ils ont en fait affaire à un meurtre. Les analyses prouvent que l'homme a été assassiné avant que le feu n'éclate.
Un agent du FBI est assassiné dans des toilettes publiques d'une station-service. L'équipe des experts est amenée à travailler avec sa famille pour découvrir le meurtrier. Il s'avère que l'agent enquêtait sur un réseau de prostitution. En enquêtant sur les lieux du crime, l'équipe découvre qu'un champion de combat sauvage fait figure de suspect idéal. Mais celui-ci se suicide devant les enquêteurs !
Langston et Nick sont appelés pour enquêter sur un meurtre dans un fast- food. L'affaire s'annonce complexe car une grande partie des preuves sont enduites... d'huile de friture ! L'équipe est également chargée d'enquêter sur la mort d'une femme dont le corps a été retrouvé ligoté. La victime semble avoir ingurgité l'équivalent de deux tubes de dentifrice. Les experts interrogent son mari.
Un député est jugé pour le meurtre de sa maîtresse. Langston représente le ministère public et possède de solides preuves à l'encontre du parlementaire. Mais en plein milieu du procès, l'adjoint du député se suicide d'une balle dans la tête, avec l'arme qui a servi à tuer la victime. Dans une lettre trouvée près de lui, l'adjoint affirme être l'unique responsable du meurtre.
Sur un parking, un homme découvre un cadavre dans une voiture. Au même moment, la femme de ménage d'un motel remarque des asticots venus d'une chambre : à l'intérieur, elle trouve une femme morte sur le lit. Un laveur de piscines prend son service dans une villa, mais le cadavre d'un homme flotte sur l'eau. L'équipe ne tarde pas à découvrir des preuves indiquant que ces trois crimes seraient liés...
Sur le point de fêter son anniversaire avec l'équipe, qui lui a préparé une surprise, Nick part sur une scène de crime. Dans le parking d'un motel familial, une jeune fille a été retrouvée morte. Nick connaissait la victime. Il s'agit de Haley Jones, 16 ans, la fille du manager, qu'il avait déjà rencontrée à plusieurs reprises par le passé, alors qu'il enquêtait dans le motel sur d'autres affaires.
Alors que les experts terminent un exercice d'entraînement, toute l'équipe est appelée sur les lieux d'une fusillade survenue dans un quartier calme et cossu. Un responsable de la sécurité a été tué, ainsi qu'un enfant de 7 ans. Deux habitants, un étudiant et son cousin, ont, quant à eux, disparu. Après avoir recueilli plusieurs témoignages, les experts concluent à la responsabilité d'un gang.
Le corps d'une ancienne étudiante de Langston est retrouvé dans un quartier malfamé de Las Vegas. Elle a eu la nuque brisée, à l'image de plusieurs femmes victimes, onze ans plus tôt, d'un tueur en série. La jeune femme avait été vue vivante pour la dernière fois dans une salle de combats de catch mexicain. Langston, qui prend cette affaire très à coeur, interroge les lutteurs présents à ce moment-là.
Un homme a frôlé la mort lors d'un accident de parachute. Nick et Riley pensent qu'il s'agit sûrement d'une tentative de meurtre car l'individu était expérimenté. Ils espèrent en apprendre davantage grâce à la caméra fixée à son casque. Dans le même temps, alors que Raymond enquête sur la mort d'un illuminé en plein désert, Catherine doit élucider un double homicide commis dans une luxueuse résidence.
Au cours d'une convention de science-fiction, le créateur d'une série est retrouvé mort. Hodges et Wendy, qui étaient sur place, donnent l'alerte. La victime projetait de réaliser une version moderne très controversée de la célèbre fiction Astro Quest. Les enquêteurs orientent leurs investigations vers les fans de la série originale. Hodges et Wendy éprouvent des sentiments de plus en plus forts l'un pour l'autre.
Condamné à une lourde peine de prison pour meurtre, Jeremy Kent n'a jamais cessé de clamer son innocence. Dix-huit ans plus tard, toujours derrière les barreaux, l'homme est devenu spécialiste du droit et obtient la révision de son procès. Le dossier est rouvert et l'enquête, à l'époque menée par Catherine Willows encore débutante, redémarre à zéro. L'équipe réexamine tous les indices un par un.
Al Robbins examine le cadavre d'un homme, sans réussir à déterminer l'origine de sa mort. Accompagné de Catherine Willows, il se rend au domicile du défunt. Willows est alors sauvagement attaquée par la mère du mort, qui décède à son tour brutalement et sans raison. Dans le même temps, Vartann et Sanders enquêtent sur la violente agression dont a été victime une jeune femme dans un quartier résidentiel.
L'équipe enquête sur l'assassinat d'un motard, membre du gang des Vegas Blasters. Le meurtre a eu lieu dans un bar où, à la suite d'une bagarre qui a dégénéré, la victime a été frappée et maintes fois poignardée. Parmi les bikers ayant participé à la rixe, aucun n'accepte de parler. Mais les experts apprennent vite que l'homme en question, Jack Nettles, était en fait un flic en mission d'infiltration...
Le meurtre d'un homme retrouvé sur un terrain vague cache en fait une affaire de trafic de jetons d'un casino. Après la fermeture de l'établissement, ils auraient dû être détruits comme la loi l'exige. Or, nombre de ces jetons ont été cachés et sont donc devenus monnayables auprès de l'Etat du Nevada. De quoi attirer la convoitise de la victime, un malfrat, et celle d'un marchand d'objets de collection.
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