Satoshi Itomura est méticuleux sur les scènes de crime pour appréhender les auteurs de crimes. Il cherche la solution au travers des biens de la victime. Il es mal vu par ses collègues de la première division car il mène des enquêtes sans autorisation et en dehors de toute hiérarchie. Miyuki Oda, enquêteuse débutante, va découvrir par le détective scientifique une autre manière de résoudre des crimes.

Dans un quartier résidentiel, un homme est assassiné par un autre homme qui a cassé son appartement. Le sergent Kizaki, qui travaille près de la zone, entend un coup de feu et court vers l'appartement. L'inspecteur Oomura est déjà sur les lieux du crime. Pendant leur enquête, ils se rapprochent de l'identité du tueur. Bientôt, le sergent Kizaki pense que quelqu'un est derrière l'affaire. Une fille sort alors de l'ombre. Le sergent Kizaki pense qu'elle est liée aux meurtres.

Se déroulant dans la préfecture de Kanagawa, au Japon, "Cold Case" suit Yuri Ishikawa et son équipe dans leurs efforts pour résoudre les affaires non résolues.