Una donna muore con un colpo alla testa durante uno spettacolo del Cirque du Soleil. Grissom e i suoi si mettono ad investigare sul caso e in particolare sulle dinamiche interne dello show. Inoltre Sara e Warrick si occupano di un finto suicidio avvenuto durante un party tenuto da Sam Braun. Catherine si ritrova drogata in un letto d'albergo e senza memoria.

Grissom e i suoi continuano ad investigare sui casi avviati nell'episodio precedente. Catherine cerca di capire chi l'abbia narcotizzata e perché si sia rivolto contro la sua famiglia.

Mentre Grissom porta alcuni studenti in visita nel dipartimento quattro cadaveri dell'obitorio raccontano le loro storie. Una donna morta annegata viene ritrovata in un ascensore. Catherine investiga sul caso. Un'altra donna precipita in un dirupo durante un'escursione con suo marito. Si cerca di capire se si tratta di suicidio, omicidio o fatalità. Nick indaga su Jack Day, un marine tornato dall'Iraq che viene accoltellato.

Il team di Grissom indaga su dei pestaggi perpetrati da alcune gang su tre turisti per puro divertimento. Uno viene ritrovato morto, gli altri due sono stati picchiati con forza ma sono ancora vivi.

Si investiga su Charlotte Danville, una donna trovata crocefissa dentro una chiesa da due suore. I sospetti si concentrano sul prete, che forse non è l'uomo che sembra.

Quando due ragazzini spariscono si sospetta di un vicino, Alan Tudyk, noto pedofilo del quartiere. Grissom però chiede il suo aiuto al fine di estorcergli una confessione. Il caso comunque risulterà più complicato di quanto sembra.

Un'anziana donna viene trovata assassinata. Si sospetta subito di un vicino e di suo nipote. Quando Grissom scopre accanto alla vittima un modellino con la scena del crimine, com'era già accaduto in passato, si rende conto di trovarsi di fronte ad un pericoloso serial killer. Greg intanto si presenta in tribunale per il caso Demetrius James, l'uomo che ha ucciso mentre cercava di salvare un turista.

Due gemelle, Amanda e Jill, vengono ritrovate defunte in due diverse parti di Las Vegas. Si scopre che le due non si erano mai incontrate perché sin dal momento della nascita erano state date in adozione a genitori diversi.

La Cadillac di un boss malavitoso degli anni '70, Mickey Dunn, viene ritrovata in un lago. Lui è scomparso da tempo. Poco dopo avvengono una serie di omicidi tutti legati al pericoloso personaggio. Inoltre su tutte le scene del delitto viene trovata una foto che ritrae le vittime in compagnia del boss.

In un cantiere Catherine e Brass trovano un uomo intrappolato nel cemento vicino ad una vittima di un assassinio. Intanto Nick, Warrick e Sofia investigano sulla morte di un anziana trovata nel suo appartamento con la testa nel forno ma che non risulta morta a causa delle inalazioni di gas.

Catherine testimonia in un caso in cui un uomo, accusato di aver assassinato sua madre tre anni prima, viene scagionato. Lei lo crede comunque colpevole e anzi responsabile di altri due omicidi. Si mette in testa perciò di scovare le altre vittime.

Il nuovo membro del team, Michael Keppler, affianca Catherine nel caso di una giovanissima sconosciuta trovata nuda che si rivelerà essere l'ultima vittima di un serial killer attivo dagli anni '70.

Keppler persuade Catherine ad aiutarlo a creare una finta scena del crimine e ad ingannare i loro colleghi, il tutto per mettere in piedi uno strano piano per catturare il più grande spacciatore della Costa Ovest, cioè colui che è sospettato di aver assassinato nel deserto un deputato che combatteva contro l'uso di droghe.

Nick Stokes e Michael Keppler investigano sulla probabile vendita di parti del corpo umano al mercato nero. Il resto della squadra si occupa della moglie di un milionario, picchiata a morte con una bottiglia di champagne.

Keppler ha incubi ricorrenti. Sogna spesso di un incidente che gli è capitato molti anni prima nel New Jersey. Le cose peggiorano quando va a trovarlo un suo amico, un poliziotto in pensione che è anche il padre della sua ex-ragazza. Un poliziotto del New Jersey e un ladro vengono trovati morti in una stanza d'albergo. A scoprire il delitto è proprio l'amico di Keppler.

Grissom rimane scioccato quando aprendo un pacco a lui destinato scopre la miniatura di una scena del crimine. Si tratta di un crimine che non è ancora stato compiuto e che probabilmente avverrà presto. Spetterà a Grissom e ai suoi analizzare la miniatura e scoprire la vera ubicazione del luogo prima che accada una nuova tragedia.

Grissom e il suo team si scoraggiano quando scoprono una grossa macchia di sangue mentre investigano sulla scomparsa di Ryan, un giocatore di basket, e della sua ragazza, una cheerleader. Si pensa che i due giovani amanti siano fuggiti in Messico ma l'ipotesi crolla quando nel parcheggio della scuola, proprio nel posto macchina vuoto di Ryan, si trova una macchia di sangue.

Sei showgirls vengono ritrovate morte nelle loro casa presa in affitto. Sara rimane sconvolta dalle ultime parole di una di queste vittime che le muore praticamente tra le braccia. Le indagini svelano che il collo delle donne è stato squarciato con un coltello. Warrick crede di aver conosciuto una delle vittime prima che morisse.

Mentre indaga sulla morte di un criminale assassinato a colpi di pistola in una limousine, il team del CSI scopre che il caso ha legami con il fratello dell'uomo che Greg ha ucciso per auto-difesa; la squadra si dovrà scontrare con la madre per ottenere informazioni.

Hodges dice ai suoi colleghi (topi da laboratorio) Archie, Henry, Mandy e Wendy che Grissom vuole che loro indaghino sul caso delle miniature delle scene del crimine mentre gli altri membri del CSI si stanno occupando di altri crimini.

Lorenzo 'Happy' Morales, un ex puglie, viene assassinato. Grissom e i suoi uomini non hanno molta fortuna perché, a parte alcune ferite, hanno poche tracce sul corpo del defunto il quale, morendo, è caduto in una piscina con acqua a 90 gradi Fahrenheit.

Un sospettato perde la vita durante uno scontro a fuoco con la polizia. L'uomo era il principale indiziato in un caso di doppio rapimento e possibile omicidio. I membri del CSI fanno indagini nel ranch dell'uomo e trovano la testa dell'uomo rapito appesa come un trofeo. Nessuna traccia invece di sua moglie.

In città Nick e Warrick si occupano di una donna morta per strada vicino un centro commerciale. Il caso è misterioso perché non si capisce come la donna sia arrivata in quel luogo (dal momento che in giro non ci sono auto parcheggiate) e il motivo per cui sia arrivata lì, visto che tutti i negozi sono chiusi. L'unico indizio è una borsa piena di portafogli.