У дванадцятому сезоні CSI Кетрін і Нік пристосовуються до роботи під керівництвом Д.Б. Рассела після пониження в посаді. Команда також вітає Морган Броуді, яка приєднується до команди CSI. У цьому сезоні команда розслідує різноманітні справи, серед яких вбивство сім'ї, утоплення в шоколаді, смертельний інцидент у мафіозному музеї, нерозкрите вбивство, знахідка "застібнутого" тіла та садистське вбивство.
На тлі розслідувань Ді Бі намагається зберегти контроль над власною сім'єю, Морган стикається з викраденням гелікоптера під час польоту, дружина Дока Роббінса стає об'єктом розслідування, а Кетрін співпрацює з ФБР, зрештою приймаючи рішення, що змінює її життя. Згодом у поліції Лас-Вегаса відбуваються численні зміни: Рассел приводить Джулі Фінлі, яка щойно закінчила курси з управління гнівом і готова розслідувати такі справи, як квартирна крадіжка, руйнівне відключення електроенергії, вбивство на весіллі в стилі "Аліси в країні чудес" і вибух гоночного автомобіля.
Впродовж сезону команду CSI не полишають особисті проблеми. Фінн і Ді Бі намагаються примирити свої минулі стосунки, Еклі стає жертвою стрілянини, Нік залишає CSI, а криміналістична лабораторія потрапляє під нагляд зовнішньої агенції.