以下に、出演者の変遷がメディアの話題となった事例を記す。

2004年、ギャラ交渉のもつれによってサラ・サイドル役のジョージャ・フォックスと、ニック・ストークス役のジョージ・イーズの降板が発表された。後日、制作側との和解によって二人の降板は取り消されたが、2007年の契約更改でジョージャ・フォックスの更新は行われず、彼女はシーズン8第7話で番組を一度降板した。また、ジョージ・イーズは2013年には自分のキャラクターの方向性に不満を抱き番組脚本家と口論となり、一時降板させられるという騒動も起こしている。また、ジョージに関してはシーズン15最終話で降板し[16]、2015年9月の最終話にはエリザベス・シュー共々出演しなかった[10][17]。

2008年、ウォリック・ブラウン役のゲイリー・ドゥーダンが契約の更新を断り降板すると発表された。発表から約半月後にゲイリーが複数の薬物所持で逮捕。降板の理由に関してさまざまな憶測が飛び交った。

2008年、ギル・グリッソム役のウィリアム・ピーターセンがシーズン9第10話を最後に番組を降板することが発表された。一部では「マイアミ」「NY」などスピンオフ化の方向性に不満を持ったと噂されたが、降板後もピーターセンはエグゼクティブ・プロデューサーとして番組の製作に関わっている。

2009年、ジョージャ・フォックスがシーズン9にゲスト出演。その後、彼女はシーズン10にも出演し、シーズン11からは再びレギュラーとして復帰した。
登場人物

本項では、2015年2月までのシーズンに関してシーズン数及び話数を、2015年9月の最終回に関しては最終回と記述する[17]。
レギュラー
ギル・グリッソム博士 (Gil Grissom Ph D.)
演 - ウィリアム・ピーターセン、日本語吹替 - 野島昭生出演 - 第1シーズン第1話?第9シーズン第10話、第11シーズン第13話、最終回CSI夜番主任、CSI捜査官レベル3（特殊技能：昆虫学）1956年8月17日生まれ。カリフォルニア州出身。UCLA卒。ラスベガス市警科学捜査班夜番主任。第1シーズン第2話で現在の地位に昇格。本名はギルバート・グリッソム。9歳で植物学を教えていた父親が突然死し、画廊を経営する母親のもとで育った。母親は未だに夫のためにクリスマスプレゼントを買ってくるという。学生時代から法医学に興味を持ち始め、カリフォルニア州史上最年少の22歳で検死官になった。ラスベガス市警鑑識課着任後は、同市の検挙率を全米14位から2位にまで引き上げるのに大きく貢献した。地道な実験に基づく昔ながらの捜査方法を好みつつ、近代テクノロジーも活用して捜査を進める。マスコミ受けがよいらしくインタビューを受けることも多い。博識でシェイクスピアからスヌーピーまで、古今東西のあらゆる引用を行う（古典の引用ではシェイクスピアが多い）。母親から遺伝した耳硬化症を患う。第3シーズン冒頭から本格的に病状が悪化し、読唇術で何とか乗り切っていたが、その後何度も捜査に支障を来すようになる。第3シーズン最終話でようやく手術を受け、聴力は回復した。読唇術のほかに母親に習った手話も流暢に使いこなし、こちらは捜査にも役立っている。特技の昆虫学に対する執着は深く、仕事場は昆虫標本にあふれ、レース用のゴキブリを飼うほど。趣味はジェットコースターに乗ること。全米中のジェットコースターを熟知しているような発言が第4シーズン第20話で見られる。また、精神的に行き詰まると乗って気分転換を図ることもある。大学時代にはポーカーで学費を稼いでいた。ワーカホリックのため、私生活では独身。ハンクという名前のボクサーを飼っている。教え子であるサラ・サイドルに対して師弟以上の感情（第4シーズン第12話「蝶の亡霊」参照）をもっていたが、第6シーズン最終話「サヨナラはまだ…」でついに交際関係であることが発覚。しかし、ラボの服務規定で職場恋愛が禁止されているため、第7シーズン最終話まで交際を公にしなかった。第5シーズン第22話「主任失格」でキャサリンが仕事の後に行ったバーで容疑者と接触があったことを自分が聞こうとしなかったのに話さなかったと彼女を非難し、ラストで“私はそれ（他人とのふれあい）を求めない”と関係の修復を求めるキャサリンを冷たく切り捨てた。第5シーズン第9話で、局長補佐のエクリーの画策によりチームが再編され、キャサリン、ウォリック、ニックは遅番に異動となった。第6シーズンではチームは再々編され、夜番を率いる。第9シーズン第10話にてCSIを辞職、サラの待つ熱帯雨林へと旅立った。その後、第10シーズンで既にサラと結婚しており、フランスに移り住んでいる。第13シーズン時にはサラと離婚している。最終回では、海洋生物の保護活動に勤しんでおり、レディ・ヘザーが連続爆弾事件に絡んでいると踏んだことから、エクリーの依頼で呼ばれる。事件解決後、サラと復縁。吹き替え版での彼の呼び名は「主任」となっているが、オリジナル（英語）版では「グリッソム」もしくは「グリス」、「ギル」などと呼ばれている。『CSI:ベガス』にも登場したが、ピーターセンが2021年8月22日、撮影中に体調を崩し、病院に搬送された事が報じられた。結局、S1のみの出演となり、今後はクリエイターの1人として製作に関わる事となった。
キャサリン・ウィロウズ (Catherine Willows)
演 - マーグ・ヘルゲンバーガー、日本語吹替 - 高島雅羅出演 - 第1シーズン第1話?第12シーズン第12話、最終回CSI捜査官レベル3（特殊技能：血痕分析）1963年3月26日生まれ。モンタナ州出身。母子家庭で育ち、父親の顔を知らない。ブロンドで碧眼。元ストリッパーという異色の経歴の持ち主。姉と妹がいる。ある事件にかかわった際、彼女の才覚に気づいた刑事ジミー・タデーロから転職を勧められ、犯罪学の学位を取得し転職した。ストリッパー時代の親友ステファニーの殺人事件の犯人として逮捕されたケルソの病死を機にジミーと再会し、皮肉にも恩人である彼が証拠を捏造し冤罪事件を引き起こしていたことを突き止めてしまう。結果的にジミーは親友を殺した真犯人を逃がしてしまったため、尚更に彼の証拠捏造を見逃すわけにはいかなかった。母親も元ショーダンサー。母親の昔の恋人でラスベガス有数のカジノのオーナーであるサムとは古くからの友人だが、内心では彼を実父と確信しているため微妙なものがあった。第3シーズン最終話でキャサリン自ら行ったDNA鑑定により、血縁関係が確定したため、より複雑な思いを抱え込むことになる。離婚歴があり、一人娘リンゼイの育児・教育に悩む母でもあるが、同時に一人の女性として生きたいという気持ちと板ばさみになることがしばしばある。元夫エディとも確執があったが、彼は第3シーズンで死亡した[18]。自身が幼い娘を持つ親でもあるため、子供が関わる事件には感情をむき出しにすることがある。そのため、後に無実となった者から恨まれたこともあった。第5シーズンに行われたチーム再編成で、夜番チームの副主任から（以前から早番の主任への昇格を希望していたにもかかわらず）エクリーの嫌がらせで遅番チームの主任に昇格することになる。しかし、第6シーズンでのチーム再々編成により夜番の副主任となり、ニックやウォリックら元のメンバーと捜査出来るようになった。第9シーズンでグリッソムが退職したため、第11話より夜番主任となったが、第11シーズン終盤で発生したラングストンの行為の責任を取る形で降格。その後、第12シーズン第12話でFBIからのヘッドハンティングに応じる形で退職した。最終回では、事件が発生したのが自らが経営権を持つエクリプスだったことから急遽ロスから駆けつける。娘のリンゼイは最終回でベガス署CSIのレベル1になり、グリッソムとおこなった鑑識作業で事件解決の手がかりを見つけた。事件解決後CSIに復帰し、主任に立候補する事をラッセルに明かした。
ウォリック・ブラウン (Warrick Brown)
演 - ゲイリー・ドゥーダン、日本語吹替 - 山野井仁出演 - 第1シーズン第1話?第8シーズン最終話、（ゲスト出演）第9シーズン第1話CSI捜査官レベル2→3（特殊技能：オーディオ・ビジュアル分析）1970年10月10日生まれ。メンバー唯一のベガス出身。褐色の肌にグリーンの眼が印象的。7歳で母親を亡くし、祖母に育てられた。父親に会ったことはない。タクシー運転手、カジノのウェイターなど様々な職に就きながらラスベガス大学の学位を取得。その当時築いた人脈を捜査に役立てることもある。基本的には真面目で上昇志向だが、無類のギャンブル好きであるため、そのことが第1シーズン第1・2話での新人の殉職の原因になった。それ以降、賭け事はしないとグリッソムに誓う。同じ時期に判事の汚職に関わったことがあったが、グリッソムに打ち明けて解決した。しかし第3シーズンでは被告側の弁護人からギャンブルに嵌まっていた過去に触れられ、証拠の正当性に疑義を呈されるという経験をすることになった[19]。ニックとはよきライバル関係である。チーム再編成後は遅番チームに所属。さりげなくも女性関係は派手であったが、第6シーズンにて看護師のティーナと突然結婚した。その結果、自分に恋心を抱いていたキャサリンを振ることになる。しかしその結婚生活も長くは続かなかったようで第8シーズン第2話で破局を迎えたことが明らかになった。第8シーズン最終話でマッキーン副保安官に撃たれてしまい、第9シーズンの冒頭で通報を聞き駆けつけたグリッソムの腕の中で息を引き取った。生前、親権を争っておりそのDVDの中でグリッソムを父親として尊敬していると語っていた。第13シーズン7話ではウォリックの墓前で死体が発見され、ティーナと息子のイーライが登場する。WOWOWで実施された『CSIイケメン捜査官ランキング』では1位に入る（ポイントは「眼差し」）。
ニック・ストークス (Nick Stokes)
演 - ジョージ・イーズ、日本語吹替 - 家中宏出演 - 第1シーズン第1話?第15シーズンCSI捜査官レベル2→3（特殊技能：毛根・繊維分析）1971年8月18日生まれ。テキサス州出身。本名はニコラス・ストークス。父親は判事、母親は弁護士という裕福な家庭で育った。