Non presumere niente: Ad aprire la quarta stagione di investigazioni dell'unità CSI è un episodio "doppio": in questa prima parte, i cadaveri di due coniugi vengono rinvenuti in una stanza d'albergo. Quando però Grissom e i suoi apprendono che i due si erano imbattuti in un'altra coppia di sposini la sera prima in un bar, cominciano a sospettare che via sia in circolazione un pericoloso duo di serial killer. A complicare il caso saranno poi le ingerenze della stampa e il grave errore commesso da un membro della squadra.
Tutto per il nostro paese: Nella continuazione dell'episodio precedente, alcuni indizi portano Grissom, Warrick e Nick a sospettare che dietro gli omicidi si celi la figura di un poliziotto. Contemporaneamente, Catherine e Sara cercano di scoprire quale mistero si nasconde dietro all'uccisione di uno studente il cui corpo viene ritrovato in stato di decomposizione dentro una vasca da bagno.
Vite isolate: E' uno spettacolo davvero macabro quello che si presenta agli occhi di Grissom e Warrick, accorsi sulla scena di un crimine: si tratta del cadavere mummificato di un'insegnante in pensione. Nel frattempo, Sara e Nick indagano su un caso di stupro che riguarda una giovane ragazza, e che sembra essere collegato in qualche modo proprio al ritrovamento dell'insegnante. Catherine infine, cerca di scoprire la provenienza di una pistola rinvenuta da un ragazzo.
Caldo mortale: Mentre Las Vegas è investita da una terribile ondata di caldo, Catherine si occupa del caso di un bimbo di 6 mesi morto a causa della temperatura elevata sviluppatasi nell'auto in cui era stato lasciato dal genitore. Nel frattempo Warrick indaga sulla morte, apparentemente causata da un attacco cardiaco, di un uomo nella sua abitazione. Nick e Sara devono scoprire cosa si nasconde dietro al decesso di una ragazza trovata nel Lago Mojave.
Pellicce e nausea: Grissom e Catherine accorrono sul luogo in cui, dopo un incidente frontale, un uomo viene trovato morto sul ciglio della strada con indosso un costume da procione. Gli indizi conducono quindi i due investigatori alla "Fur Con", convention annuale che raccoglie tutte le persone che amano travestirsi da animali. I principali sospetti ricadranno immediatamente, a causa di alcuni peli blu trovati sulla scena del crimine, su Miss Kitty, che indossa un costume da gatta dello stesso colore.
Jackpot: A Jackpot, piccola e sperduta cittadina del Nevada settentrionale, un cane trova una testa umana. Grazie a una serie di rilievi sulle tracce di materiale vegetale presenti sul cranio, Catherine riesce a individuare la zona esatta in cui la testa è stata nascosta, dopodichè Grissom si reca sul posto per indagare. Scoprirà però che la cittadina nasconde segreti ancora più intricati, e dovrà confrontarsi duramente con le autorità locali, decise a ostacolare la sua attività investigativa.
Prove invisibili: Dopo Brian Mobley, che più volte si è rivelato una spina nel fianco per Grissom, ecco arrivare Rory Atwater, il nuovo sceriffo di Las Vegas. Anche lui darà filo da torcere alla squadra CSI in relazione ad una irregolarità che rischia di mettere la polizia in cattiva luce. Tutto nasce da un coltello trovato da Warrick nella macchina di un sospettato. Il problema è che il mandato copriva solo la scena del crimine, ma non l'auto. Ciò rende la prova inammissibile. Grissom e gli altri dovranno così ricominciare tutto da capo, e avranno solo 24 ore per trovare nuove prove prima che il presunto killer venga rilasciato.
Dopo lo spettacolo: Quando Julie Waters, giovane modella alle prime armi, sparisce improvvisamente, Captain Jim Brass e i suoi uomini fanno irruzione nell'appartamento del "sospettato numero uno": si tratta di Charles Delhomme, fotografo di moda che ha lavorato spesso con la Waters. Delhomme in un primo momento confessa il rapimento e l'uccisione della giovane, poi cambia idea. A complicare le cose sarà inoltre la sua predilezione per Catherine e la disponibilità a parlare solo con lei.
Grissom contro il vulcano: Quando un'autobomba uccide tre persone davanti a un casinò, lo sceriffo di Las Vegas Rory Atwater, vera spina nel fianco dell'unità CSI, sospetta immediatamente che si tratti di un feroce atto terroristico. Grissom è però di un altro avviso, e intende dimostrare che dietro la strage si nasconde un altro movente. Intanto, Sara e Warrick hanno il compito di scoprire chi ha ucciso la moglie di un noto cantante di Las Vegas.
Furia omicida: Un adolescente viene trovato assassinato in un cantiere. Grissom, Sarah e Warrick seguono la guida del sangue su un martello. Nick, con l'aiuto di Catherine, cerca di scoprire come una donna è stata uccisa da un colpo di pistola sul suo prato quando nessuno dei dintorni aveva una pistola.
Undici giurati arrabbiati: La sola presa su una giuria è trovata morta nella sala della giuria. Gli undici giurati che votavano colpevoli e che odiavano il giurato morto sono i sospetti naturali. Nick riapre un caso di quattro anni quando la sorella della vittima avanza nuove prove.
La collezionista di farfalle: Una donna trovata assassinata in casa sua. La sua somiglianza con Sara fa sì che Grissom si interessi personalmente al caso e lo costringe ad esaminare le decisioni che ha preso nella sua vita.
Succhiatori di sangue: Tre piccoli CSI (Grissom, Sara e Nick) hanno risposto a un elettrocuzione in un casinò. Il casinò ospita antichità giapponesi. L'elettroctuzione è solo una rusa per rubare il pezzo centrale dell'esposizione. Catherine e Warrick trattano di un omicidio vampiro.
Carta o plastica?: Una rapina in un negozio di alimentari porta a una sparatoria che lascia cinque morti. L'ufficiale di polizia della scena crede che Grissom abbia un rancore contro di lui. L'intera squadra deve processare l'enorme quantità di prove sulla scena.
Sveglia all'alba: L'intera squadra deve indagare su un crimine in cui un marito e la sua moglie porno star sono stati assassinati. Le cose diventano personali per Catherine quando Grissom le parla della sua valutazione. Brass crede che Sara possa avere qualche problema.
Fuori dal tunnel: Catherine e Sara si occupano della morte di quello che all'inizio sembra essere un trasvestito. In seguito, durante l'autopsia, hanno scoperto che il trucco che sembrava indossare era in realtà faccia, era un clown. Grissom, Nick e Warrick si occupano della morte di un uomo in una zona senza tetto. Hanno scoperto che lavorava in un centro di recupero per i tossicodipendenti.
Cromosoma XX: Un corpo femminile mutilato viene scoperto legato al sottocarriaggio di un autobus che trasporta prigionieri da un impianto di correzione femminile dopo che un braccio severo vola fuori dal veicolo e colpisce un'auto. Catherine guida l'indagine e all'inizio crede che la donna sia fuggita, ma le prove indicano sempre più l'omicidio. In città, Warrick indaga sulla morte di un giocatore che è stato pugnalato più volte nella cucina di suo fratello.
Malvagio fino al midollo: Un violento omicidio in un parcheggio da casinò e un altro episodio nella sala delle interviste della polizia portano i CSI ad una scoperta scioccante dopo l'altra. Il caso riguarda una donna scomparsa, un cadavere lungo e un bambino scomparso.
Scarabeo: Warrick, Catherine e Nick cercano di determinare la causa di un incendio domestico che uccide un adolescente. L'incendio è nello stesso quartiere di un incendio incendiario simile. Grissom e Sara indagano su un uomo trovato morto con piastrelle di lettere nello stomaco. L'uomo era un concorrente in un torneo di parole.
La Staffetta: Grissom, Catherine e Nick indagano sulla morte di un corridore durante un concorso. Nel frattempo Sara e Warrick indagano sulla morte di una coppia in una stanza d'albergo, inizialmente considerata un suicidio. Entrambi i casi si svolgono durante questo concorso "cop", con più di 20.000 assistenti (tutti poliziotti). Questo dà alle indagini una svolta interessante, poiché quasi tutti i sospettati e tutti i morti sono poliziotti.
Giro di vite: Una montagna russa è in pista, lasciando 6 morti. La squadra del CSI deve scoprire se si tratta di un incidente o di un brutto gioco. Warrick e Catherine cercano di trovare l'assassino di una ragazza di 13 anni.
Rien ne va plus: Due uomini sono stati uccisi dopo aver truffato i casinò di Sam Braun. Grissom e Warrick indagano dopo che Catherine è stata licenziata. Uno dei sospetti è il figlio di un uomo che Braun ha imbrogliato. Nick ottiene la promozione che Sara ha raccolto.
Legami di sangue: L'impiegata del casinò viene picchiata e violentata mentre torna a casa dal lavoro, ma sopravvive e identifica il suo aggressore. Purtroppo, un test del DNA lo rende libero e Grissom deve lottare per stabilire se le prove possano mai mentire. In seguito, Grissom viene al salvataggio di un collega che finisce dall'altra parte della legge
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