Nella quarta stagione, l'intuito dei migliori investigatori e l'uso delle tecnologie più avanzate aiuteranno Horatio Caine e la polizia scientifica di Miami, nelle indagini di casi sempre più complicati. Inoltre Horatio faticherà a tenere separata la vita privata dal lavoro perché si innamorerà. L'ultimo episodio della stagione è anche la prima parte di un crossover tra CSI: Miami e CSI: New York.