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...

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.

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.

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.

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...

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...

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.

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.

Grissom, Catherine et Nick enquêtent sur la mort d'un coureur durant une compétition. Sara et Warrick, de leur côté, s'intéressent à la mort d'un couple dans une chambre d'hôtel. La première hypothèse, celle d'un meurtre suivi d'un suicide, est rejetée. Les deux enquêtes se déroulent au même moment qu'une grande convention, qui réunit plus de 20 000 policiers en ville. Les deux affaires prennent une drôle de tournure car toutes les victimes et presque tous les suspects font partie de la police. La pagaille est totale, les enquêteurs ne savent pas par où commencer pour trouver des témoins crédibles et des indices irréfutables...

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...

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.

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.