A Casablanca, un jeune garçon est kidnappé dans un mystérieux van. Au même moment, à Paris, le lieutenant de la BAC, Lucie Henebelle, se met à pleurer des larmes de sang... et tire sur son partenaire. L’affaire est confiée au Commandant Sharko, légende de la crim’ aussi brillant qu’instable.

Sharko fait intégrer Lucie à la brigade criminelle. Ils s’intéressent aux dossiers médicaux conservés par la Clinique Moreau et découvrent les images du film intitulé «Syndrome E » : plusieurs jeunes filles en pleine crise de démence qui pleurent des larmes de sang, comme Lucie.

Lucie est de plus en plus troublée par le mystérieux Syndrome E qu’elle sent gronder en elle. Sharko voit sa détresse et leur attirance mutuelle grandit. Les soupçons convergent vers la Fondation Moreau, spécialisée dans la recherche de pointe en neurosciences.

Sharko part enquêter au Maroc. Il est reçu par les officiers de la brigade criminelle de Casablanca qui finissent par lui tendre un piège. A Paris, Lucie poursuit son enquête sur la Fondation Moreau, qui vante les mérites de la technologie de Stimulation Cérébrale Profonde qu’elle a mise au point.

De retour à Paris, Sharko essaie de retrouver la trace de Walid, le petit cobaye marocain qui a voyagé jusqu’en France pour une mystérieuse « expérience finale ». Lucie entre en contact sur Internet avec un mystérieux interlocuteur au Canada et s’envole pour Montréal.

Aux archives de Montréal, Lucie remonte enfin la piste des petites filles du vieux film. Sur les traces de Walid, Sharko se fait enlever. Il se retrouve enfermé dans une immense salle, entouré par les jeunes cobayes, et se retrouve au cœur même de l’« expérience finale ».