En 2001, Kathleen Peterson périt dans sa demeure de Durham. Michael Peterson, son mari écrivain, écope d'une peine à perpétuité. Un journal révèle ensuite que le directeur du laboratoire judiciaire de Caroline du Nord a falsifié des résultats d'analyses dans plusieurs dossiers criminels, ébranlant la crédibilité des preuves scientifiques et exposant les lacunes du système judiciaire américain...