Immer wieder werden Menschen in Autos mit Benzin übergossen und angezündet. Das Team stößt auf einen alten Fall von Callen und Sam, bei dem sie eine Waffenschieber-Bande ausgeschaltet haben. Durch ein außerordentlich geschicktes Verwirrspiel ist es aber dem Kopf der Gang gelungen, aus dem Gefängnis zu fliehen. Das sogenannte Chamäleon operiert mit diversen Identitäten in unterschiedlichen Ländern und scheint ein äußerst intelligenter Verbrecher zu sein, den es zu fassen gilt.

Agent Renko ermittelt undercover im Umfeld eines dubiosen Waffenladens. Seine Tarnung scheint gefährdet und der Rettungsversuch des Teams gelingt nur unter schweren Opfern. Trotzdem bekommt das Team Wind von einem illegalen Waffendeal und stößt beim Treffpunkt auf ahnungslose junge Leute, die auf eine Kleinanzeige geantwortet haben, um Kisten zu schleppen. Für Callen wird die Ahnung zur Gewissheit: Das Chamäleon hat seine Hände im Spiel.

Das Chamäleon ist nach dem Mord an Hunter in Gewahrsam – doch damit ist das tödliche Spiel des Agenten noch nicht vorüber. Granger informiert das CIS-Team unterdessen, dass Atley, ein wichtiger Mann des NSA, entführt wurde, der heikle Regierungsgeheimnisse kennt. Callen und Hanna machen sich mit einigen Kollegen auf die Suche nach dem Vermissten – wieder gibt es Tote. Es wird entschieden, Atley gegen das Chamäleon auszutauschen – sollte er am Ende wirklich ungestraft davonkommen?

Nachdem Callen vor laufenden Fernsehkameras das Chamäleon, Janvier, erschossen hat, wird er festgenommen. Gerade aus der Untersuchungshaft entlassen, wartet schon der Iraner Vaziri auf ihn. Vaziri versucht in Erfahrung zu bringen, zu welchem Preis Callen bereit ist, den Namen des CIA-Spions in Teheran, Cherokee, zu verraten. Atley hat Deeks und Hetty unterdessen preisgegeben, dass er über ein Dossier verfügt, das er Janvier verkaufen wollte…

Sidorov fordert den NCIS erneut heraus: Im Grenzgebiet zwischen den USA und Mexiko lässt er eine Atombombe hochgehen. Zwei weitere besitzt er noch, die er zu möglichst hohen Preisen verkaufen will. Um das zu verhindern, befreien Kensi und Callen Sidorovs Zwischenhändler Janvier aus afghanischer Gefangenschaft. Mit seiner Hilfe wollen sie Sidorov eine Falle stellen. Sam und Michelle ermitteln währenddessen undercover in Sidorovs Umfeld. Ein riskantes Unterfangen.

Sam und Deeks waren in Sidorovs Gewalt schrecklichen Foltermethoden ausgesetzt, können aber von ihren Kollegen befreit werden.