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...

Le cadavre d'un nourrisson est découvert sur le siège arrière d'une voiture garée en plein soleil. Catherine est chargée du dossier. Sara et Nick s'occupent, quant à eux, de la mort d'une femme retrouvée noyée dans un lac. Quant à Warrick, il enquête sur le décès d'un homme qui se trouvait dans son fauteuil de massage.

La nuit, une femme roule sur une route de Las Vegas. Soudain, elle entend un bruit sourd : elle vient de heurter quelque chose, un animal croit-elle. En s'approchant du cadavre qui gît sur la chaussée, elle s'aperçoit qu'il s'agit en fait d'un homme affublé d'un costume insolite. L'équipe du CSI confirme ses premières impressions et s'interroge sur les raisons d'une telle mise en scène. Cet étrange raton laveur serait-il la mascotte d'une équipe sportive ou le personnage d'un show télévisé de leur enfance ? Parallèlement, Grissom et ses experts enquêtent sur le meurtre d'une femme, abattue alors qu'elle se trouvait dans une chambre froide...

Le vétérinaire de la ville de Jackpot, dans le Nevada, reçoit un colis macabre : une tête d'homme en état de décomposition. Sur place, Grissom, aidé par le shérif de la localité, découvre dans la forêt un corps enterré debout et sans tête. Les premiers éléments de l'enquête révèlent que la victime a été torturée avant d'être achevée par un animal.

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.

La disparition de Julie Waters, une danseuse qui souhaitait devenir mannequin, met en émoi Las Vegas. Tous les médias s'intéressent à l'affaire et les regards se portent bientôt sur Howard Delhomme, un photographe, qui devient le premier suspect. Mais celui-ci refuse de coopérer avec la police. Il accepte de parler à une seule personne : Catherine.

Le shérif Rory Atwater sort d'un restaurant de Las Vegas lorsqu'il est témoin de l'explosion d'une voiture devant l'entrée d'un hôtel. Les secours arrivent sur place, ainsi que Catherine, Nick et Grissom, qui sont chargés de l'enquête. D'autre part, Sarah et Warrick tentent de découvrir qui a assassiné l'épouse d'un chanteur très populaire.

Le corps d'un adolescent battu à mort est retrouvé sur un chantier. Chargé de l'enquête, Grissom est convaincu d'avoir affaire à un crime passionnel. Les coups ont en effet été portés avec une rare violence et semblent indiquer un geste rageur et irréfléchi. Les blessures relevées sur le crâne ont apparemment été infligées par un marteau. Les policiers s'intéressent surtout aux ouvriers qui travaillent sur le site. Ont-ils tout révélé de ce qu'ils savaient ? Cherchent-ils à dissimuler des informations ? Avec l'aide de Catherine, Nick tente de comprendre les circonstances du meurtre d'une femme dans son jardin...

Durant une pause déjeuner, un juré meurt dans la salle de délibération d'un procès. Les onze personnes qui siégeaient avec lui sont des suspects potentiels. De son côté, Nick Stokes reprend une affaire classée depuis quatre ans. Une femme accuse son beau-frère du meurtre de sa sœur, dont le corps n'a jamais été retrouvé.

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.

Catherine et Warrick enquêtent sur la mort d'une jeune fille tuée d'une façon qui laisse penser qu'elle a été victime d'un vampire. Grissom, Sara et Nick sont appelés dans un casino pendant la soirée d'inauguration d'une exposition d'antiquités japonaises, où un corps est retrouvé dans la piscine.

Le cambriolage d'une épicerie tourne mal : une fusillade éclate, causant la mort de cinq personnes. Parmi les victimes, Clay, un officier de police, partenaire de David Fromansky. En entrant dans le commerce, Clay ignorait qu'un braquage était en cours. Fromansky affirme s'être précipité à son secours après avoir entendu les coups de feu. Sa version des faits, qui comporte des zones d'ombre, éveille les soupçons de ses collègues. Fromansky est convaincu que Grissom a quelque chose contre lui et cherche à le faire tomber. Toute l'équipe doit gérer la masse de preuves recueillies pour analyse...

Le propriétaire d'une discothèque et son épouse sont abattus alors qu'ils quittent leur domicile. Une boîte à bijoux est retrouvée vide dans leur chambre. Catherine interroge l'associé des victimes et tombe sous son charme, alors que Nick et Warrick retrouvent le VTT utilisé par l'un des agresseurs. D'autre part, Brass pense que Sara a des problèmes.

Catherine et Sara autopsient le corps d'un homme qu'elles prennent, dans un premier temps, pour un travesti. A l'analyse du maquillage du défunt, elles découvrent qu'il était artiste de cirque, clown plus précisément. Pendant ce temps, Grissom, Nick et Warrick sont appelés dans un quartier habité par des sans-abri. On y a retrouvé le cadavre d'un homme. Après enquête, il s'avère que le malheureux était employé dans un centre de réhabilitation pour drogués. Immédiatement, ils se mettent à la recherche d'indices. Leurs premiers soupçons se portent naturellement sur les patients de l'établissement...

Les restes d'un corps humain sont découverts sous un bus, utilisé pour le transport des détenues d'un centre pénitentiaire. La victime, surnommée Baby Doll, devait être libérée le mois suivant. Pendant ce temps, Grissom et Warrick enquêtent sur le meurtre d'un jeune homme, poignardé dans l'appartement du tuteur de son jeune frère.

Un meurtre violent a été perpétré dans le parking d'un casino. Brass et Grissom recueillent les premiers indices et aboutissent à la conclusion que le vol n'est pas le mobile de l'assassin. De leur côté, Sara et Nick visionnent la vidéo de surveillance et découvre la victime sortir du casino.

Une adolescente meurt dans l'incendie de sa maison. Catherine, Warrick et Nick fouillent les restes calcinés à la recherche d'indices. Grissom et Sara enquêtent sur le meurtre d'un homme venu participer à un championnat de jeu de lettres.

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...

Dans un parc d'attractions, un wagon du grand huit déraille, provoquant la mort de six personnes. D'après le responsable, seuls cinq clients avaient pris place à bord du manège. Les détectives cherchent à savoir s'il s'agit d'un accident ou d'un sabotage. De leur côté, Catherine et Warrick enquêtent sur la mort d'une adolescente de 13 ans.

Deux hommes sont retrouvés assassinés après avoir tenté de braquer le casino de Sam Braun. Grissom et Warrick enquêtent après que Catherine a été déchargée de l'affaire. Sam Braun est interrogé. Pourrait-il avoir fait tuer ceux qui cherchaient à lui dérober sa fortune ? Un des suspects est le fils d'un homme que Braun a surpris en flagrant délit de triche. De son côté, Nick obtient la promotion que Sara convoitait. Cette situation provoque des tensions entre les deux enquêteurs, qui doivent pourtant privilégier leur travail et tenter d'oublier leurs rancoeurs. L'enquête autour du casino se complique...

En regagnant son domicile, une employée de casino est agressée. Elle est battue et violée, mais survit miraculeusement à la barbarie de son tortionnaire. En mesure d'identifier l'agresseur, elle se rend au poste de police le plus proche, porte plainte et se soumet à un test ADN. Contre toute attente, les résultats de l'analyse innocentent le suspect. Grissom, dubitatif, est tenté de remettre en question l'infaillibilité de ces tests scientifiques. Mais il est contraint de remettre ses ruminations à plus tard : il doit en premier lieu venir en aide à un collègue en fâcheuse posture...