Danny Messer y su hija Lucy se encuentran en poder de Shane Casey, un peligroso criminal. La angustiosa situación llega a su fin cuando Lindsay, la esposa del forense, acaba con la vida de Shane. Cinco meses después, Lindsay recibe una condecoración por su acción en una ceremonia a la que acuden Mac Taylor y los demás forenses. Entretanto, Jo Danville (Sela Ward) llega al laboratorio criminalístico y comienza a examinar en su primer día de trabajo el cuerpo de una joven que ha sido apuñalada mortalmente. Las primeras evidencias halladas en la escena del crimen llevan a los forenses a investigar a un importante estudio de arquitectura.

Una joven muere estrangulada mientras participa en un chat con Adam. Cuando el forense informa del suceso a sus compañeros del C.S.I., Mac intenta descubrir si las imágenes que Adam vio eran reales o falsas. Jo, por su parte, le presta su ayuda mientras busca pistas que le permitan localizar el apartamento en el que tuvo lugar el crimen. Posteriormente, los expertos forenses acuden a un inmueble de Manhattan, donde hallan el cadáver de la víctima. Varios iPads robados y una huella palmar parcial llevan a Taylor y a su equipo a investigar a Torrey Powell, ladrón y novio de la fallecida. Tras ser interrogado, Powell confiesa que robó los iPads y un ordenador portátil, se los entregó a su novia y posteriormente desaparecieron de la vivienda tras al asesinato de su pareja.

Un matrimonio es víctima de una brutal agresión en su propio hogar, suceso en el que muere el marido. Mac Taylor acude a la escena del crimen donde la esposa del fallecido le asegura que el atacante es Billy Travers, su propio hijo. Tras ser detenido por Flack, el sospechoso se sorprende ante la grave acusación de su madre mientras niega su implicación en el ataque. Ante la falta de coartada de Billy, el jefe del C.S.I. cree que el caso está prácticamente resuelto hasta que la investigación da un giro inesperado: un preso de la cárcel de Riker declara que Marvin Foster, su compañero de celda que huyó de prisión y que fue capturado la noche del crimen, le confesó que cometió el asesinato. Poco después, Lindsay descubre un extraño cristal en el escenario, evidencia que da un nuevo giro a la investigación del caso.

Pantro Torres, líder de El Puño, una de las principales bandas callejeras de Nueva York, es asesinado tras ser lanzado desde el balcón de la habitación del hotel en el que se alojaba. Taylor y su equipo se afanan por identificar al asesino para evitar que los miembros de El Puño tomen venganza y se desate un baño de sangre en las calles de la ciudad. Los resultados del análisis de varias muestras de ADN encontradas en el hotel llevan a los expertos forenses a investigar a Hazel Ortega, exintegrante de la banda Mambas, que actualmente trabaja como prostituta de lujo. Tras localizar a Hazel, Flack se dispone a llevarla consigo cuando varios hombres armados abren fuego contra ellos. La joven, que logra sobrevivir al ataque, explica a Jo que se encontraba en la habitación de Pantro la noche de su asesinato y que vio cómo alguien entraba mientras ella se marchaba. Mac, por su parte, decide reunirse con Luther Devarro (Edward James Olmos), cofundador de El Puño, para pedirle su colaboración en el esclarecimiento del caso.

Un hombre es asesinado cuando se encontraba en el apartamento de su abogado, momento en el que dos ladrones profesionales irrumpen en la vivienda para hacerse con un sustancioso botín de millones de dólares en joyas. James Benson, un excompañero de Danny que trabaja como guardaespaldas del letrado, recibe un disparo durante el violento robo pero logra sobrevivir. Poco después, el cuerpo sin vida de uno de los ladrones es hallado cerca del helicóptero que utilizaron para huir desde la azotea del edificio. Mac y su equipo de forenses investigan un petate hallado cerca del cadáver, donde encuentran un sofisticado sistema de localización. Tras constatar que ambos criminales portaban sendas bolsas, Adam invierte la señal del dispositivo para poder así determinar la localización del otro petate. El C.S.I. se sorprende cuando la señal les lleva hasta el cadáver de un desconocido en el mismo edificio. El hombre, que llevaba un chip escondido en un zapato, resulta ser Heath Kirkfield, un joven que según su novia había desaparecido recientemente. La novia de Kirkfield asegura que éste llegó a casa con una bolsa llena de joyas asegurando que habían caído del cielo y que fue asesinado cuando se disponía a entregar las joyas a la policía.

El descubrimiento de un cuerpo en avanzado estado de descomposición lleva a Mac y a su equipo a investigar a un singular asesino que utiliza a los padres de una de sus víctimas para manipular las escenas de sus crímenes. La madre del joven fallecido recibió un mensaje en el buzón de voz de su teléfono con indicaciones precisas para localizar el cuerpo de su hijo, Jeremy Harris. Charles Harris (Thomas Calabro) y su esposa siguieron las pautas marcadas y en el proceso destruyeron todas las evidencias físicas, tal y como pretendía el asesino. Sin embargo, el cadáver que encontró el matrimonio no fue el de Jeremy sino el de Craig Anderson, otra víctima. Poco después, la madre de Harris recibe un nuevo mensaje y a pesar de las reticencias de su esposo, sigue las indicaciones del asesino y está a punto de morir en un incendio cuando Jo logra salvarla.

Mientras el C.S.I. investiga una serie de tiroteos perpetrados por un francotirador, Mac descubre que el principal sospechoso del caso es una víctima de un secuestro a quien Taylor rescató tras tres años de intensa búsqueda. Los restos sanguíneos hallados en uno de los escenarios llevan al jefe de los forenses a investigar a Michael Reynolds, un chico desaparecido a quien ayudó a encontrar hace 15 años. Mac sabe que Michael sufrió graves lesiones en las manos causadas por su secuestrador, por lo que se resiste a creer que el joven sea un asesino. Los forenses acuden al domicilio de los padres de Michael, donde hallan su cuerpo sin vida tras recibir un disparo mortal. Entretanto, los investigadores descubren una coincidencia de unas muestras de cabello halladas en el escenario donde actuó el francotirador con el ADN mitocondrial de Michael, por lo que los forenses abren una nueva línea de investigación.

La misteriosa muerte de una mujer en la zona de supuesta mayor actividad paranormal de Central Park trae de cabeza al equipo de forenses neoyorquinos. El examen preliminar del cuerpo no revela signos visibles de traumatismo, por lo que todo apunta a que la víctima ha fallecido de puro miedo. Sin embargo, la situación se complica todavía más cuando un segundo cuerpo es hallado en el parque y comprueban que se trata de Roni Parker, la hermana del jefe de la Policía de Nueva York Ted Carver. Carver nunca denunció la desaparición de su hermana y acabará confesándole a Mac que no lo hizo porque confiaba en que Roni regresaría para cuidar de sus hijos, de quienes él se ha estado encargando mientras su hermana permanecía en paradero desconocido. Además, Mac detiene a un hombre encapuchado mientras intentaba desenterrar el cuerpo de Roni. Mientras tanto, los forenses encuentran en la primera víctima restos de AND y de maquillaje funerario en su pelo. Esta evidencia llevará a Taylor y los suyos a investigar un pequeño negocio familiar de pompas fúnebres.

Los forenses acuden al lugar donde yace el cuerpo sin vida de una mujer tras ser golpeada y disparada. Mac Taylor y su equipo verifican que la víctima es la misma mujer que robó la identidad de Roni, la hermana del Jefe Carver, hace 15 años. El análisis de la bala extraída del cadáver de la víctima revela que el proyectil está relacionado con una pistola registrada a nombre de Carver, por lo que Mac sospecha que el subcomisario jefe de la Policía de Manhattan podría estar implicado en el asesinato de su hermana. Tras ser interrogado, Ted Carver asegura que perdió esa arma hace años, suceso que no denunció. A pesar de su explicación, el jefe del C.S.I. sospecha que el alto mando le oculta algo. Poco después, los investigadores identifican a la víctima como Marcella Gómez, una inmigrante ilegal que contrajo matrimonio con un hombre que la maltrataba para conseguir el permiso de residencia. El C.S.I. descubre también que Marcella robó la identidad de Roni para permanecer en Estados Unidos y poder huir de su esposo.

En pleno invierno neoyorquino, Jo lleva a Mac por la calles de Manhattan para ver el espectacular escaparate de unos grandes almacenes. Entre la multitud, Taylor distingue a un carterista y decide capturarlo, situación que incomoda a Danville, que no desea perderse el espectáculo navideño de la tienda. Tras detener al ladrón, ambos forenses se sorprenden al descubrir entre la decoración navideña y las cajas de regalo del escaparate el cuerpo sin vida de un hombre. Mac y Jo constatan que la víctima es Richard Grossman, uno de los jefes de departamento de los grandes almacenes a quien sus empleados despreciaban. Poco después, el C.S.I. descubre que Pascal Denton, un empleado a quien Grossman despidió poco antes de su muerte, tenía antecedentes por agresión. Los investigadores interrogan al sospechoso que asegura que es inocente. Los expertos forenses abren una nueva línea de investigación cuando descubren que el carterista al que detuvo Taylor tenía sangre de la escena del crimen en su chaqueta.

Durante un espectáculo festivo que tiene lugar en la calles de Nueva York, una persona disfrazada de payaso acude a un inmueble. Cuando llega al lugar, un hombre le abre la puerta del edificio, pero el payaso lo abate tras dispararle con una pistola. Sin embargo, la pista del asesino se pierde cuando poco después se presenta en el edificio una multitud de payasos tras leer un anuncio en el que indicaba cómo tenían que ir vestidos para conseguir un premio. El C.S.I. sospecha que fue el propio asesino quien puso el anuncio y que la llegada masiva de payasos al escenario le permitió huir del lugar sin problemas. A medida que avanza la investigación, los forenses centran sus pesquisas en un hombre que entró en un plan de protección de testigos de Kansas cuando, tras ser testigo de un crimen, se vio obligado a dejar atrás su vida, incluida a su novia embarazada.

Miguel Martínez, un promotor de clubs español afincado en Manhattan, es hallado muerto en su lujoso apartamento neoyorquino. Los forenses acuden al escenario en busca de evidencias que permitan esclarecer las extrañas circunstancias del asesinato. Tras conocer los hechos, Héctor Vargas, jefe de la policía científica de los Mossos y tío de la víctima, se reúne con Mac Taylor para brindarle su ayuda en la investigación del caso, propuesta que acepta el jefe del C.S.I. y que propicia la colaboración entre la policía autonómica catalana y los forenses neoyorquinos. Los expertos forenses centran sus pesquisas en el entorno del fallecido, al tiempo que constatan que, en su caso, el dinero no le ha otorgado la felicidad.

Los forenses neoyorquinos investigan la extraña muerte de varias personas que perdieron la vida cuando el vehículo en el que estaban celebrando una fiesta cayó al río Hudson. Tras acudir al escenario, el C.S.I. descubre que la plataforma donde se encontraba el grupo fue empujada hacia el río. Para intentar identificar al responsable del homicidio múltiple, Mac Taylor y su equipo centran sus pesquisas en descubrir los puntos que los fallecidos tenían en común. La investigación da un giro inesperado cuando los investigadores sospechan que una de las supuestas víctimas podría ser el asesino que planeó la masacre.

Un apuesto hombre coquetea con una bella joven en un elegante bar neoyorquino cuando repentinamente saca un arma, abate a los dueños y a un camarero del establecimiento y secuestra a la mujer. Mac y su equipo tratan de descubrir la relación entre el asesino y sus víctimas, al tiempo que trabajan contrarreloj para encontrar a la joven secuestrada. Poco después, el C.S.I. verifica que los dos fallecidos eran enfermos terminales con un elevado nivel de uranio en sangre. Diversas huellas halladas en la escena del crimen permiten a los investigadores identificar a la mujer desaparecida como Camille Jordanson. Ésta, vieja amiga de Sheldon Hawkes, trabajaba como enfermera en una clínica local, hasta que fue despedida tras ser acusada de robar las medicaciones a los pacientes. Los forenses acuden al domicilio de Jordanson, donde hallan una gran cantidad de fármacos y descubren que los hombres asesinados eran pacientes suyos.

Cuando un violador es encontrado muerto en un almacén, el CSI debe determinar si alguna de sus víctimas es responsable del asesinato.

Una mujer con problemas que, una vez se dirigió a Mac después de presenciar un grupo de hombres que trataban de encubrir un asesinato, aparece muerta por suicidio en circunstancias muy sospechosas.

CSI descubre un montón de conductas inapropiadas en una de las escuelas de Nueva York de preparación más prestigiosas después de que uno de los más brillantes alumnos de la escuela es asesinado.

La hija adoptiva de la detective Josephine "Jo" Danville, Ellie, se convierte en un testigo clave en una investigación de asesinato.

Mientras que el equipo investiga la explosión de un camión de comida gourmet, la nueva relación de Sheldon podía conseguir en un gran problema en el laboratorio.

Mientras que el equipo se topa con un caso de persona desaparecida durante la investigación de un asesinato, Mac tiene un caso con un ex convicto a quien él y su primer socio pusieron en reclusión muchos años antes.

Después de que Raymond Harris toma represalias en contra de Mac y su primer socio jubilado, Mac empieza a descubrir más acerca de los motivos de Harris y los trapos sucios de su ex-pareja.

Después de que Mac casi muera al tratar de detener a un criminal, decide hacer frente a un caso sin resolver que implica un doble homicidio y el secuestro de niños durante un robo a una bodega.