CSI: Miami mostra o trabalho da equipe de investigadores do sul da Flórida que soluciona crimes através da mistura de métodos científicos, técnicas tradicionais, tecnologia de ponta e instinto apurado para descobrir pistas. Horatio Caine (David Caruso, "Nova York Contra o Crime"), um ex-detetive de homicídios, lidera um grupo de investigação que trabalha para desvendar crimes na região de Miami.

Sua equipe inclui Calleigh Duquesne Emily Procter, "The West Wing"), uma bonita sulista bilíngüe com especialização em balística; Tim Speedle (Rory Cochrane), um arrogante, mas competente, investigador com ótima conexão nas ruas da cidade; e Eric Delko (Adam Rodriguez, "Roswell"), um dos maiores experts em bombas e explosivos da Flórida.

Essa equipe conta ainda com Alexx Woods (Khandi Alexander, "NewsRadio"), uma investigadora de homicídios, e Megan Donner (Kim Delaney, "Nova York Contra o Crime"), uma especialista em DNA que acredita na verdade da ciência, em contraponto a Caine, que prefere contar mais com o seu próprio instinto.