人間の顔に表れるわずか0.2秒の“微表情”を読み解くことで嘘を暴いていくカル・ライトマン博士とそのチームの活躍を描いたドラマ『Lie to me 嘘の瞬間』。セカンドシーズンで、ライトマンたちの“嘘発見”技術はますます冴え渡る。彼らの携わる捜査は犯罪という枠に捉われず、殺人事件から、人物調査、事故調査など多岐に渡り、様々なシチュエーションの中で“隠された真実”を見破っていく。
人々の表情や無意識の動作を研究する世界的に有名な博士で、ウソを見破るだけでなくその理由までを追い詰める。連邦組織、政府機関、警察などの捜査に協力している。
才能に恵まれた心理学者で、ライトマンの良きパートナー。 時に暴走しがちなライトマンを諌める冷静さを持ち、その深い洞察力は部下からも信頼されている。ライトマン同様、他人の嘘を見破る能力を身に着けている。
リサーチチームのリーダーで映像分析を担当。嘘つきが嫌いな正直で不器用な青年。
エージェントの若手メンバー。詐欺検知に関して天性の才能に恵まれ、一目置かれている。
FBI捜査官。今シーズンからライトマングループに正式にパートナーとして加わる。
著書のサイン会をしていたライトマンの元に、トリシアという女性が助けを求めにやってくる。彼女は霊感で殺人を見たと語る。トリシアの言葉に嘘はないことを見抜いたライトマン。彼は抱えていた最高裁判事候補の審査を放り出し、トリシアのケースを追うことになる。彼女の言う殺害現場に赴くと、そこには確かに血痕があった。さらに調査を進めるうちに、なんとトリシアが多重人格者だと判明。真相究明は更に困難なものになっていく…。
大学フットボールのスター選手、ケイブが未成年へのレイプで突然逮捕される。弁護士に転身したゾーイから不当に重い罪を課せられないよう調査の依頼を受けたライトマンは、ケイブが真実を語っていると判断。だがその矢先、彼と被害者の盗撮映像が流出する。一方フォスターとイーライはカルト教団の脱税調査を担当。一見、平和そうな教団だったが、一人の女性が不安げにしている様子に気付いたフォスターは職務以上の調査を始めてしまう。
6年ぶりの休暇で娘とメキシコに行ったライトマンは、そこで大使館職員から米国人女性失踪事件の捜査協力を依頼される。現地では麻薬絡みの失踪事件が多発していた。だが地元警察は彼の介入を快く思わず非協力的だった。失踪女性の娘から出会い系サイトで知り合った男と会うことになっていたと聞いたライトマンは、その男を捜すことに。その頃、フォスターは輸血が原因の死亡事故を調査していた。そこにかつて研究所に在籍していたジャックが現れる。
トーレスは妻殺しの容疑をかけられ姿を消したエリックの調査のため、一人で容疑者宅に出向く。しかし逆にエリックの人質になってしまう。研究所に立てこもった彼は、自分の無実を証明するようライトマンに命令する。エリックは妻コニーの上司トニーが犯人と疑っていた。だがトニーの証言ビデオから、エリックの借金トラブルをコニーが知ってしまったことが判明。ライトマンは借金の仲介をしたエリックの友人ダニーを調べることにする。
ライトマンの古い友人、テリーが突然研究所にやってくる。ライトマンは彼に大きな借りがあった。彼の借金返済のために違法賭博に参加するハメになったライトマン。だがテリーの真の目的は彼と闇社会のボス、ランスを引き合わせることだった。それを知ったライトマンは極秘で潜入捜査をすることに。その頃、研究所では高校に送りつけられてきたテロの予告ビデオの捜査をしていた。フォスターたちは容疑者として絞られた生徒たちの面談をする。
レイノルズがかつて潜入捜査で逮捕し、検察側の証人となっていたマークが何者かに殺害された。代わりに証言台に立つことになったレイノルズの身を案じて、ライトマンはこの事件を裏で手を引いていると思われるウォール街の黒幕、グリーンに直接話を聞くことにする。だが彼がスコッティという名前を出したと聞いたとたん、レイノルズは証言を拒否。やがて彼が潜入時代に犯した殺人が、当時の上司シーラによって握りつぶされていたことが判明する。
ライトマンの元に16歳の少年マックスが突然訪ねてきて、自分は赤ん坊の頃に誘拐されたと語る。しかし誘拐された子は実の母親の過失で既に亡くなっていたことが判明。ライトマンはマックスの依頼で彼の本当の親を探すことに。調査の結果、ロミオという男が赤ん坊を盗み出し違法に売りさばいたことが分かる。一方イーライは、死亡事故で客に訴えられているデパートの依頼で、彼らの潔白を証明することに。彼は暴動を扇動した人物を探し出すが……。
クリスマスが近づく中、ライトマンたちはアフガニスタンで行方不明になった米兵の捜索に協力することに。ライトマンは現地で拘留された自称米国人フランコを尋問するためにアフガニスタンへ飛ぶ。フランコを尋問したライトマンは彼の正体がCIAか国防に関わる人間だと考える。その矢先、研究所に国防総省のエージェント、コミスキーがやってくる。フランコの表情からまだ秘密があると気付くライトマン。やがて驚くべき真実が浮かび上がってくる。
ポーカーの世界選手権決勝の直前に、参加者の一人、ジェイクが失踪し、カジノのオーナー、エリスに依頼されたライトマンたちが調査に乗り出す。やがてカジノに身代金要求の電話がかかってくる。話し方の特徴からライトマンは参加者の一人、アマデオを泳がすが、結局ライトマンの旧い知人で選手権の参加者でもあるメイソンが、彼を陥れるために誘拐騒ぎを仕組んだことが分かる。ジェイク捜索が振り出しに戻ったその矢先、ライトマンの元に謎のメモが届けられる。
農夫のハロルドが爆弾テロを仕組んでいると通報が入る。彼は財務省の前に爆弾を積んだトラクターを停めたまま大統領との直接対話を要求。ライトマンたちは事の真相を探り出すことに。ハロルドと交渉を続けたライトマンは、彼が何かを隠していると見抜く。一方、通報テープを分析したフォスターは、その声音から通報者が共犯であると判断。実はハロルドは妻子を人質に取られていた。FBIは電話の主ジャクソンの家に捜査官を急行させる。
ライトマンは大学院の講義で表情を読んだ学生、マーティンが精神病質者で殺人犯と考える。大学では1ヶ月前に女子学生が失踪していた。だが評判を気にする大学側は彼の警告にとりあわず、ライトマンは自らマーティンの素性を調べ始める。それを知っても彼は自信満々な態度を崩さない。ライトマンは次々に罠を仕掛けて彼を挑発する。その頃、イーライとトーレスはUFOを見たことで職を追われそうになっている教師の調査を担当していた。
ライトマンの国防総省時代の同僚ヘンリーが内密に話があると連絡してきた。彼はジミー・ドイルという人物について話したがっていた。その矢先、研究所の前で爆発事件が発生し、時を同じくしてライトマン宛に1枚のディスクが届けられる。爆破の犠牲者はヘンリーだった。7年前、ライトマンは潜入捜査でIRAの闘士だったドイルの妻子殺害事件に関わっていた。当初は事件を隠蔽されたドイルの復讐と考えた彼だったが、やがて黒幕は別にいることが判明する。
富豪のムッソが殺害された。状況証拠だけで彼の妻クララを逮捕した検察はライトマンに証言を依頼。だが彼女の弁護をするのは元妻ゾーイだった。クララは事件のショックで殺害時直前の40分間の記憶がないと言う。何かを隠していると見たライトマンは、彼女と直接話をすることで無罪を確信。真犯人を探すためゾーイに協力する。クララと義理の息子ダミアンの証言が食い違い、ダミアンに不審な点があることから、彼を調べることにするが……。
半年前にイラクから戻ってきたジェフが、深夜に自宅で発砲騒ぎを起こす。彼を案じた軍からの依頼でライトマンはジェフと話をすることに。ジェフは何者かに命を狙われていると言う。戦場での出来事に真実が隠されていると考えたライトマンたちは、ジェフにトラウマとなった出来事を追体験させることにする。その直後、突然ジェフが姿を消してしまう。フォスターは軍で話を聞いた彼の上官、レンショー大尉が何かを隠していると考える。
政府の公営住宅で警官が何者かに銃撃される。撃たれたハーディは一命はとりとめたものの、話もできないことから、ライトマンがその表情を読み取ることで手がかりを得ようとする。クララに表情学を教えることになった彼は、彼女を連れて病院に行く。容疑者の少年から話を聞いたライトマンは、彼が嘘を付いていると判断。手がかりを追い現場に聞き込みに行ったライトマンは、アパートに住む少女から事件当日に警官が別の死体を運び出していたと聞き出す。
トーレスの元に矯正施設に入っていた妹エバから助けを求める電話が来る。施設仲間マーリーが脱走し、エバはそのことで何かを隠している様子。その矢先、施設でマーリーの遺体が見つかる。ライトマンたちは捜査に乗り出すが、施設の精神科医バーンズは非協力的だった。エバの身を案じたライトマンは一時的にフォスターの家に彼女を避難させるが、その晩何者かに襲撃される。彼らはエバがマーリーから預かったある物を探していた……。
クララが支援する知事の暗殺未遂事件が発生し、選挙スタッフのミシェルが命を落としてしまう。FBIは現場にいた男コーリーを逮捕するが、事件発生時のビデオを見たライトマンは共犯がいると断定する。やがてライトマンは選挙事務所のスタッフからミシェルが選挙の数ヶ月前にひき逃げ事故を起こし、それを知事の側近アディソンが隠蔽したという話を聞く。ミシェルの供述ビデオを見たライトマンたちは、彼女が誰かをかばっていると考える。
ライトマンの知人で違法の格闘賭博のファイター、ラウルが殺害された。彼が殺される直前まで一緒にいたライトマンは驚愕する。その事をFBIに隠したまま自ら捜査に乗り出した彼は、ラウルのライバル、オーランドから、ラウルがペルーの左翼組織から追われていたという事実を聞き出す。その頃、密かに精神科医のバーンズと付き合いだしていたフォスターは、偶然彼が身分を偽っていることを知ってしまい、彼の身元を調べ始めるが……。
17年前に死刑を宣告された誘拐殺人犯ウィルキーの死刑執行に立ち会ったライトマンは、最後に無実を訴える彼の言葉が真実だと見抜く。納得できない彼は独自に捜査を開始。その矢先、被害者のおじ夫婦の元に17年前の誘拐犯の脅迫電話と同様の電話がかかってきて、直後に彼らの息子オリバーが行方不明になってしまう。ライトマンは昔の取調べテープを調べ直し、ウィルキーの恋人だったベスに話を聞きに行く。彼女は精神科に入院していた。
フォスターが精神科医のバーンズと付き合っていることを知ったライトマン。勝手に彼のことを調べ始めた矢先、バーンズが何者かに連れ去られる現場に遭遇してしまう。実は麻薬捜査局の捜査官だったバーンズは、施設と麻薬組織の関連を調べていた。リトルムーンという少年がバーンズを拉致したことを知ったライトマンは、リトルムーンが3ヶ月前に父親を殺害した犯人を捜していることを突き止め、バーンズを救うために彼に協力することにする。
ライトマンはエミリーに頼まれ家出した少女モリーを探すことになる。彼女は家を出てからキャシディと名乗りポルノ女優になっていた。ライトマンは父親のドーキンスと話をするが、彼が何かを隠していると見抜く。ポルノ制作会社から手に入れた電話番号を元にレイノルズが住所を割り出し無事に彼女を発見するが、モリーは家に戻りたがらない。理由を聞かれた彼女は父親が母親を殺したと驚くべき告白をする。当時5歳だった彼女は1年前にその事実を思い出したと言うが……。
ライトマンの友人で記者のジュリーが何者かに殺害される。彼女は元警官の市会議員アンスリンガーの汚職に関する調査をしていた。ライトマンが彼女の情報源を探し始めた矢先、情報提供者のボーが自ら研究所にやってくる。彼はアンスリンガーから不動産王クックの殺害を命じられたが実行できず、今では自分が狙われていると言う。彼は証拠のコピーをライトマンに渡すと言うが、その受け渡し現場で殺害され、居合わせたレイノルズも撃たれて瀕死の重傷を負ってしまう。