Li chiamano "cold case", letteralmente "casi freddi", quei piccoli e grandi incidenti archiviati e dimenticati di fronte alle emergenze che si presentano alle porte della Squadra Omicidi di Philadelphia. Una giovane e solitaria detective, Lilly Rush (Kathryn Morris) decide di farne la propria missione, decifrando i crimini che non sono mai stati risolti.

Nuove e impegnative sfide mettono a dura prova Lilly che non può basarsi solo sull'istinto e la conoscenza della mente criminale, ma deve rintracciare e interrogare testimoni del passato, le cui condizioni sono spesso cambiate rispetto al periodo in cui il crimine è stato commesso. Si tratta di un lavoro rischioso, capace di riaprire vecchie ferite e indurre i sospettati a commettere nuovi crimini, ma il detective Rush può affidarsi anche alla tecnologia scientifica in grado di offrire soluzioni un tempo impensabili. Ad affiancarla il suo stimato e rispettabile tutor Lt. Tom Stillman, interpretato da John Finn, noto agli appassionati di serie Tv per aver partecipato a Law&Order, Senza traccia, Dawson's Creek e The Practice; il detective Scotty Valens, interpretato da Danny Pino, che dopo un'inizio incerto e annoiato ha scoperto quanto sia avvincente il e dinamico il lavoro dei casi freddi; il detective Will Jeffries (Thom Barry - Senza traccia, The Practice, The West Wing), da anni in servizio alla omicidi di Philadelphia, considerato un archivio vivente di casi che ai suoi tempi erano caldi; e, infine, il detective Nick Vera (Jeremy Ratchford - CSI, Buffy, The Practice), un poliziotto duro in grado di estorcere confessioni a chiunque. Dalla metà della terza stagione il cast si arricchisce con la presenza di Tracie Thoms che interpreta la detective della narcotici Kat Miller.

Cold Case è un prodotto della Warner Bros Television e CBS Productions, con produttori esecutivi quali Meredith Stiehm (E.R.), che ne è anche autrice, Jerry Bruckheimer e Jonathan Littman (CSI, Senza traccia).