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Une experte en anthropologie, Temperance Brennan, et son équipe à l'institut Jefferson (une allusion au Smithsonian Institution) est appelée à travailler en collaboration avec le FBI dans le cadre d'enquêtes criminelles, lorsque les méthodes classiques d'identification des corps ont échoué. Temperance travaille à partir des squelettes (d'où son surnom éponyme de la série : Bones, qui signifie « ossements », en anglais). Celle-ci est épaulée par un agent du FBI, Seeley Booth, avec lequel elle entretient des rapports tantôt conflictuels, tantôt complices voire plus. Elle s'appuie également sur son équipe de scientifiques : Angela Monténégro, sa meilleure amie, qui a inventé un logiciel pour reconstituer une scène de crime en images tridimensionnelles ; le Dr Jack Hodgins, expert en insectes, spores et minéraux ainsi que de son assistant, Zack Addy, jeune surdoué.
Après avoir découvert l’histoire de ses parents, le Dr Brennan renoue avec son frère et s’adapte au retour de son père, Max Keenan. Mais alors qu’elle fait face à son passé, Brennan doit en plus affronter les conséquences de la publication de son dernier livre. Pendant ce temps, Zack Addy, qui obtient son doctorat, considère une proposition pour partir faire la guerre, et Booth renoue avec le Dr Camille Saroyan. Booth, Brennan et son équipe devront mettre de côté leurs conflits personnels pour dénicher les indices laissés par les cadavres pour retrouver leurs assassins.
Brennan et Booth se retrouvent sur les traces d’une communauté soupçonnée d'avoir des tendances cannibales.Dans le même temps, Bones doit s'occuper du procès de son père pour le meurtre du directeur adjoint du FBI.
Alors qu’ils sont à Londres pour donner une conférence, Brennan et Booth voient leur voyage se prolonger lorsque leur expertise est sollicitée sur l’affaire du meurtre de la fille d’un riche américain. Le retour du Fossoyeur pourrait, quant à lui, mettre la vie de Booth en danger.
Après s’être réveillé d’un coma, Booth retrouve la mémoire et reprend du service au FBI. Mais son amnésie, encore partielle, lui fait voir sa relation avec Brennan sous un nouveau jour. Alors qu’ils continuent de traquer des criminels toujours plus dangereux, les rapports de Booth et Brennan deviennent plus complexes.
Sept mois après sa séparation, l’équipe de l’Institut Jefferson, est convoquée à Washington pour résoudre une affaire sensible qui pourrait coûter à Cam son travail. Pendant ce temps, Hodgins et Angela reviennent de France avec une bonne nouvelle et le Dr Brennan, qui a toujours des sentiments à l’égard de Booth, découvre que ce dernier a rencontré quelqu'un en Afghanistan.
Brennan et Booth voient leur relation se compliquer davantage avec l’arrivée d’un bébé. Ensemble, ils doivent également faire face à un hacker psychopathe qui va tout faire pour leur mettre des bâtons dans les roues et les humilier. Bones va alors devoir redoubler d’attention pour ne pas tomber dans le piège d’un ennemi redoutable.
Piégée par Pelant, un hacker psychopathe, le docteur Temperance Brennan est accusée de meurtre. Traquée par le FBI, elle est contrainte de fuir avec sa fille Christine, laissant Booth, seul et désemparé. Après être parvenue à prouver son innocence, elle retrouve l’Institut Jefferson pour résoudre de nouvelles enquêtes aussi morbides qu’haletantes. Mais Pelant ne tarde pas à refaire surface, bien décidé à se venger.
Trois mois se sont écoulés et le psychopathe Christopher Pelant, que Booth a juré de tuer, continue de persécuter les membres de l’Institut Jefferson. Alors que Booth et Brennan ont fort à faire pour neutraliser le criminel, les préparatifs de leur tant attendu mariage apporteront avec eux leur lot de joie, d’humour et d’imprévus.
L’équipe de Brennan est bien décidée à continuer son enquête sur la conspiration qui se trame au sein du FBI. De son côté, Booth, tout juste sorti de prison, replonge dans son addiction aux jeux. Alors que Brennan est à nouveau enceinte, le couple devra tenir le choc pour ne pas mettre en péril son mariage.
Booth et Brennan ont quitté l’Institut Jefferson pour vivre d’autres aventures loin des scènes de crimes et des ossements de victimes. Mais ce départ n’est que de courte durée, et ils sont contraints de revenir six mois plus tard pour travailler sur un nouveau meurtre. Mais pendant ce court laps de temps, beaucoup de choses ont changé et le couple va devoir s’adapter au nouveau modèle instauré.
Avant de tirer sa révérence, Brennan va une nouvelle fois devoir tout mettre en oeuvre pour résoudre des affaires aussi étranges qu’inattendues. D’un homicide dans une maison de retraite au cadavre découvert lors d’un concours de bûcherons, tous les moyens sont bons pour faire parler les os ! De son coté, Booth va se retrouver sur le chemin d’un tueur en série tandis qu’un ancien de l’Institut Jefferson, accusé de meurtre, va kidnapper Brennan, obligeant Booth à prendre des mesures drastiques.