Gary Sinise, ganador de un Emmy y Globo de Oro por Forrest Gump y Truman, continúa en el papel de Mac Taylor, el “cerebro” del equipo forense que se desvela por los habitantes de Manhattan. Mac es un policía absolutamente dedicado a su trabajo, que se concentra en cada caso hasta que consigue resolverlo. Le acompaña la detective Stella Bonasera - Melina Kanakaredes, una profesional bien preparada y una auténtica “todo terreno” de su labor. Ambos comparten la pasión por el trabajo bien hecho y lideran el grupo de expertos policías de la ciudad que nunca duerme. El equipo sigue formado por Danny Messer (Carmine Giovinazzo), un investigador de Brooklyn con un fuerte atractivo y una tormentosa historia familiar. El Dr. Sheldon Hawkes (Hill Harper), un ex forense que abandona el laboratorio para incorporarse al trabajo de calle, el veterano detective Don Flack (Eddie Cahill), un investigador con gran agudeza y perspectiva médica forense y la detective Lindsay Monroe (Anna Belknap). La cuarta temporada arranca con un caso que mantendrá en completo suspense al espectador. Mac tendrá que arreglárselas con un acosador obsesionado por el número 333. Camisetas sangrientas, llamadas en mitad de la noche, un puzzle del horizonte de Nueva York con manchas de sangre… ¿Qué quiere decir todo esto y cómo se relaciona con Mac? ¿Averiguará el significado de estos sospechosos mensajes antes de que sea demasiado tarde? Mientras, Stella conocerá a un joven que se desvivirá por conseguir su atención. Con los fracasos sufridos en relaciones pasadas, desconfía de intentar una nueva relación pero él insistirá sin perder interés. ¿Conseguirá este joven encantador ganar su corazón? El resto del equipo continua haciendo de Manhattan un lugar más seguro, encerrando a los delincuentes uno tras otro. Además en el episodio 3.22 "Cold Reveal", que salió al aire el 9 de mayo 2007 propone un cruce entre CSI: NY y Cold Case. Aquí, el Det. Scotty Valens del Departamento de Policía de Filadelfia, viaja a Nueva York para investigar una caso sin resolver, donde tiene participación Stella. Este episodio marca la primera vez en que los personajes de un espectáculo fuera de la franquicia CSI cruzan con algún capítulo de CSI.
