Bűnügyi nyomozás, azon módszerek összessége, amelyekkel a bűncselekményeket tanulmányozzák és a bűnözőket elfogják. A bűnügyi nyomozó igyekszik megállapítani a bűnözők módszereit, indítékait és személyazonosságát, valamint az áldozatok személyazonosságát, továbbá tanúkat kereshet és hallgathat ki.
Az ujjlenyomatot vagy más meggyőző bizonyítékot nem hagyó bűnöző azonosítása gyakran a modus operandi elemzésével segíthető elő; a profi bűnözők általában ragaszkodnak egy bizonyos technikához (pl., bejutás kikényszerítése), bizonyos típusú zsákmányt keresnek, és bizonyos védjegyet hagynak maguk után (pl. az áldozat megkötözésének módja). A bűnügyi nyomozó osztályok összegyűjtik ezeket az adatokat, valamint az ellopott és elveszett vagyontárgyak listáit, és könnyen hozzáférnek olyan nyilvános nyilvántartásokhoz, mint az autó- és lőfegyver-nyilvántartások, valamint olyan magánnyilvántartásokhoz, mint a mosodák és vegytisztítók védjegyei, zálogházi és használtcikk-kereskedői ügyletek és még sok más.
A rendőrségi informátoroktól és a beépített ügynököktől többé-kevésbé folyamatosan érkeznek az információk. A lehallgatási és egyéb elektronikus megfigyelési módszerek rendkívül fontossá váltak, bár jogi korlátozásokkal.
A gyanúsítottak kihallgatása a bűnügyi nyomozás egyik legfontosabb funkciója. A legtöbb országban ez az eljárás kényes, mert a gyanúsított jogainak megsértésével szerzett vallomás a bíróság előtt megtagadható. A poligráf, vagyis a hazugságvizsgáló használata is széleskörű bírósági korlátozásoknak van kitéve.
A bűnügyi nyomozásban egyre nagyobb segítséget nyújt a bűnügyi laboratórium, amely a tárgyi bizonyítékok széles körének kémiai és egyéb elemzésekkel történő kezelésére van felszerelve. A modern nyomozásban előtérbe kerültek az azonosítási technikák, különösen az ujjlenyomatvétel, újabban pedig a hanglenyomatvétel, sőt a “DNS-ujjlenyomatvétel” (ez a technika még kísérleti stádiumban van). A fényképezés és a fotómikrográfia, az iratvizsgálat, a ballisztika és más tudományos technikák szintén a bűnügyi laboratóriumok szokásos eszközei. A törvényszéki orvostudomány vér- és vizeletelemzéssel szolgálhat, és azonosíthatja a kémiai anyagok nyomait az emberölés áldozatainak testi szerveiben.