ラッセルとフィンが5年前にシアトルで解決したギグ・ハーバー事件をまねた女子大学生殺しがベガスで発生。死刑囚となったジャレッド・ブリスコが手を下せるはずはないが、遺体が運び去られ、CSIをあざ笑うかのように鑑識作業が施された現場は前回と酷似している。模倣犯の仕業と思われたが、やがて5年前との関連性が次々と浮上。事件の核心に迫ろうとしたその時、フィンは犯人が仕掛けた罠に掛かり絶体絶命の窮地に陥る。

医療大麻の販売店へ押し入った女が警備員に撃たれ死亡する。店主ロイドの家族を誘拐し、その映像を脅しに使って金を奪おうとしたのだ。家族の行方を突き止めるため女を調べるが、身元が分かる物は所持しておらず、指紋すらなかった。ようやく突き止めた女の正体は、がん闘病中でベスト・ティーチャー賞まで受賞した教師。押し込み、誘拐という凶悪な犯行には結びつかない。そして彼女の携帯には新たな動画が届く。

裏町の借家で身元不明の男が撃たれて死んだ。おびただしい流血の現場に踏み込んだサラとグレッグは、被害者の目からの出血を見て慄然とする。恐るべき感染症に男は侵されていた。急きょCDCが出動し、2人は隔離される。現場は完全消毒されて、指紋もDNAも破壊された。その後、民間研究機関ラインラボの分析により病原体は、致死率8割のイバレ・ウイルスと判明。南米の奥地でしか見られない殺人ウイルスがなぜベガスに？

高校の化学教師メスナーが火だるまになって死亡する。同僚や生徒からも好かれていたというが、彼は死亡当日に脅迫メールを受け取っていた。また、死因はやけどを負ったせいではなく、シアン化物を摂取したためと分かる。恨みを買わないような人物が計画的に毒殺されたのだ。クレジットカードの使用履歴からメスナーに覚醒剤製造の疑惑が生まれる。しかも、自宅を捜索すると、そこにあったのは魔術に関する道具の数々だった。

サラ、フィン、モーガンの3人は科学捜査の研修に出席する。研修の合間にホテルのプールサイドでくつろぐ3人。しかし、サラとモーガンは講演会で銃の乱射事件に遭遇する。フィンはソフトウェアの販売業者であるマークとの時間を楽しんでいたが、マークはその乱射犯に撃たれ、2人ともエレベーターに閉じ込められる。一方、ホテルの警備員がドラム缶から死体となって発見され、犯行には警備員のカードキーが利用されたと分かる。

住宅地のプールで若い女性デイシアの溺死とみられる死体が発見される。彼女は依存症の治療のためラスベガスの高級リハビリ施設に入っている患者だった。彼女の体内からは大量のアルコールと薬物が検出される。事件当夜、施設を抜け出していたのだ。彼女がいたリハビリ施設を調べるとバスルームには、彼女の肺から出た水と同じ成分を含むせっけんが置かれていた。これによりプールではなく施設で亡くなっていたと分かる。

路地で男の死体が見つかる。首と背中を何カ所も刺され、路上には顔を押し付けた跡のような血の跡があったが、被害者の顔は血まみれではなかった。刺殺された男は、指紋から窃盗の前科があるネルソン・カーンと判明し、現場近くのゴミ置場からは女性をかたどった血まみれのラバースーツが見つかる。やがて男たちが女性の顔マスクとスーツを身に着けて身体ごと女性になる“ラバードール”と呼ばれる愛好家たちの世界が明らかになる。

クラーク郡拘置所1階の洗濯室の物入れから囚人の死体が発見された。肝硬変で3階の病棟に収監されていた重症患者ブルース・グレイディだ。何者かが洗濯カートに乗せて運んだらしい。腹部には刃物で刺された傷があった。グレイディの数々の犯歴を見ると逮捕されるたびに罪が減刑されており、司法取引の事実がうかがえる。グレイディは情報屋だったのだ。彼の密告行為に恨みを抱く者たちが次々と容疑者として浮上する。

砂漠に埋められた男が息を吹き返し、助けを求めて道路に出たところを車にはねられて死ぬ。男は2週間前に仮釈放になったジミー・トゥレリで、マフィアとも接点があった詐欺の常習犯だった。検視の結果、車にはねられる前に首を鋭利なもので刺され、頬をブラスナックルのようなもので殴られていた。犯人はトゥレリが死んだと思って埋めたようだ。捜査官たちは、遺体に残されたガラス片などから、男が襲われた場所を特定する。

路上で不自然な方向に引きずられた変死体が発見される。死体には多数のガラスが突き刺さっていた。IDから被害者は、近くのオフィスタワーの30階に勤務する会計士と判明する。彼のオフィスは荒れ放題で、窓の分厚いガラスは何かの物体が衝突したように突き破られていた。現場からは燃料の残留物が見つかり、CSIはロケット推進式の何かが会計士の身体に衝突したと推測する。周辺を徹底捜索した市警は、新たな死体を発見する。

10年前、父親が家族全員を撃って自殺したとされた、キャンプ場の一家無理心中事件。ただひとり命を取り留めた少女アビーは、あるにおいが引き金になり、事件当夜に父親ではない顎ヒゲのある男に抱えられた記憶が蘇る。家族を射殺したのは、父親ではなかったのだ。アビーは事件以来交流のあったサラにその記憶を伝える。埋葬された父親の遺体を掘り返してサンプルを採取すると、父親は意識を失う薬を飲まされたと分かる。

ギグ・ハーバー事件の再審で、ジャレッド・ブリスコが無罪判決を受けて釈放された。邪悪な双子は必ず動きだすはずだ。FBI特別捜査官エイヴリー・ライアンは、ラッセルに娘のマヤを駆け引きに使うべきだと告げていた。犯行に使われた鑑識の糸を手掛かりに新たな死体が発見され、残されていた指紋からショーへの疑惑が急浮上する。そのころ、ラッセルは苦渋の決断を下し、娘のマヤを囮にした決死の作戦を始めようとしていた。

殺人犯にゆかりのある品を集めた展示会。その目玉商品である連続殺人鬼ルーカス・リームの車から、展示会を主催した男の死体が発見される。男は過去のリームの被害者同様、ナイフ状の物でめった刺しにされていた。そしてなぜか体内からは古い骨のかけらが発見される。車からはリームが20年前に殺害した少女の妹の指紋が検出された。姉を殺された女性が、殺人犯を称えるような会を開いた男を許せずに殺害したと思われたが……。

路地裏でひとりの青年が殺される。彼はバットマンのようなコスチュームをしていた。遺体の周辺には複数の足跡があり、砂のような成分も検出される。鑑識現場に現われた男性は、ギャングたちに襲撃されたときに光の玉からマスクをした男が現われて自分を救ったと言うが、犯人の顔は覚えていない。殺害事件の1時間前、近くでギャングが質店を襲撃する事件が発生していた。CSIは、殺人と襲撃は同一グループによる犯行と推測する。

全身シルバーに染まった女性の死体が登山口付近で発見される。この死体の背中には奇妙なあざ、首には刺し傷がある。さらに腕からはガラスの破片が見つかる。あざはバーベキューグリルを押し付けたように平行な線状をしており、背中の中央には模様らしきモノが見える。これらのあざとガラスの解析を進めた結果、意外な事実が判明。CSIのメンバーはある男性にたどり着く。

トイレで青年の死体が発見される。スマホの写真データから、彼が殺害される直前まで美少女と一緒に居たことが判明する。その少女はなんとサンディエゴCSIのジョン・ノーランの娘カーラで、ラスベガスで姉のレクシーと買い物をしていたのだった。2人は青年の死体が発見されてから姿を消している。この事件を知ったニックは捜査に乗り出す。彼は以前、ジョン・ノーランからサンディエゴのチームに誘われたことがあった。

全身にタトゥーを入れ、ジャレッドと生き写しの姿に変身した逃亡犯ポールが新たな犯行の証拠をフィンに郵送してきた。標的も凶器も手口もこれまでとは違う。そんな中、拘留中のショーが意外な共犯者の存在を示唆。被害女性たちの売春の斡旋にポン引きのエセ聖職者ブラザー・ラーソンが絡んでいたと言う。さらに彼の供述から買春料金の出どころはポールの父親、コリン・ウィンスロップだったことが発覚。真の共犯者は父親なのか？