Rétabli après sa blessure par balles, l'agent spécial G. Callen réintègre l'OPS de Los Angeles, spécialisée dans les missions d'infiltration. Il retrouve Sam, Kensi, Hetty et Dominic, une recrue dont les compétences en informatique font l'admiration de tous. L'équipe doit enquêter sur l'assassinat du commandant McGuire. Celui-ci était chargé d'une opération visant à démanteler un cartel de drogue au Mexique.

Alors qu'ils sont sur une digue, des jeunes aperçoivent un homme en jet-ski fonçant droit sur eux. Ils découvrent que le conducteur a en fait été tué d'une balle en plein coeur. La victime, Daniel Su, ingénieur informatique célibataire, travaillait sur le prototype d'un système de communication ultraléger destiné à la marine. Il avait quitté la Corée du Nord, son pays d'origine, cinq ans plus tôt.

Une femme d'origine russe a été assassinée. Une clé USB est découverte cachée dans sa casquette. Elle contient plusieurs photos de l'agent Callen. Ce dernier reconnaît très vite la victime. Il s'agit de la dernière personne qu'il a vue avant de se faire attaquer, six mois plus tôt. L'équipe découvre qu'elle surveillait un homme qui semble avoir un lien avec une opération menée en Russie dix ans plus tôt.

Des militaires, spécialistes des informations cryptées, font la fête dans un club de strip-tease. L'un d'eux tombe sous le charme d'une danseuse et tente de la défendre contre un inconnu qui l'importune. Quelques minutes plus tard, une voiture fracasse l'entrée du club et provoque la mort du jeune homme. L'équipe du NCIS découvre vite que des terroristes pourraient être responsables de ce meurtre.

L'équipe recherche une certaine A. Taylor, qui détiendrait une importante somme d'argent autrefois dérobée à des opposants iraniens. Ces derniers sont bien décidés, eux aussi, à la retrouver. L'agent de la CIA Trent Kort est également à ses trousses. Callen, retiré de l'affaire par Hetty, mène l'enquête de son côté : A. Taylor semble en effet liée à son passé. Les trajectoires des poursuivants se croisent...

Alors que Callen a toujours des difficultés personnelles liées à son passé, l'équipe est informée que Deeks, l'agent de liaison avec la police, ne donne plus signe de vie. Il était en mission d'infiltration auprès de trafiquants, morts dans l'explosion de leur voiture quelques heures seulement avant sa disparition ? Peu après, sa partenaire est tuée dans les mêmes circonstances, juste après avoir informé le NCIS.

Après la mort d’un ex-agent de l’Est et l’arrestation d’un agent double, Hetty pensait que la course entre les agences internationales pour retrouver le livre noir de l’antiquaire était terminée. Or, la traque continue et des agents russes prennent Kensi en otage.

Alors que tout le monde s'apprête à fêter Noël, des coups de feu éclatent dans un quartier résidentiel de Los Angeles. La police découvre deux cadavres dans une maison et fait appel au NCIS quand il s'avère que le seul survivant est un ancien officier du renseignement naval, Brent Talbot. Il semble souffrir d'un syndrome post-traumatique et s'avère incapable de raconter ce qui s'est passé dans la maison. Kensi, dont l'ancien petit ami était aussi atteint du même mal, sympathise avec Brent. Elle le ramène chez lui, pensant que retourner sur les lieux du crime l'aidera à retrouver la mémoire...

Rose Carlisle, médecin légiste à Los Angeles, fait une étrange découverte en examinant un corps. Elle prévient immédiatement Callen, mais deux tueurs font irruption dans la salle d'examen, abattent un interne et dérobent le cadavre. Le NCIS finit par comprendre que le corps était marqué par une poudre secrète, utilisée par les Etats-Unis pour traquer des terroristes à travers le monde. Cependant, l'homme examiné par Rose n'était pas un terroriste, mais un innocent technicien de laboratoire. Callen découvre alors qu'un individu a mis la main sur cette poudre et l'utilise à des fins criminelles...

Des documents confidentiels du Pentagone, relatifs aux opérations militaires menées par les Américains en Irak et en Afghanistan, sont mis en ligne sur un blog. Le NCIS est chargé d'intervenir avant que les secrets de l'armée ne soit divulgés au public. Mais le responsable du site est retrouvé mort, visiblement torturé par ses agresseurs. L'équipe comprend que des criminels sont déterminés à mettre la main sur la personne qui a fourni les documents à l'auteur du blog. Callen propose de tendre un piège afin de capturer le responsable des fuites. Sam, qui sert d'appât, a la surprise d'être bientôt abordé par une jeune femme, Jennifer Weincroft...

Moe, un ancien indicateur de Sam, est victime d'une agression en prison. En enquêtant, le NCIS découvre que cette attaque a été organisée comme un rite de passage par un groupe de terroristes incarcérés avec Moe. Cet événement pousse Sam a se faire passer pour un détenu afin d'infiltrer ces hommes, responsables de plusieurs attentats à travers le monde. Il profite de la présence de Nate, psychologue de l'établissement, pour rendre son personnage crédible et gagner la confiance des suspects. Parallèlement, Cullen continue d'explorer son passé. Il reçoit l'autorisation de s'absenter pour mettre les choses au clair...

Le NCIS soupçonne une équipe de policiers corrompus de toucher des pots-de-vin pour escorter des criminels ou faire de la contrebande. La police militaire pense que des marines font partie de ce réseau. Pour les identifier, Sam et Callen enquêtent sous couverture. L'opération passe à la vitesse supérieure lorsque le chef des escrocs se fait tuer. Les enquêteurs doivent retrouver son ancienne co-équipière.

Marty Deeks surprend des cambrioleurs en pleine action dans son café habituel après son jogging matinal. Il est attaqué et grièvement blessé. L'équipe se sent visée en son sein et enquête sur le passé de Deeks pour trouver le commanditaire de cette attaque.

Sous une fausse idéntité, Sam se rend au Yémen avec Callen. Ils doivent secourir le fils d'un prince qui a été enlevé par Abdul Habaza, le leader d'un groupe de terroristes que Sam connaît bien et dont il feint d'endosser la cause. Sur place, ils ont la surprise de retrouver Nate Getz, chargé de leur prêter main forte. Grâce à la relation de confiance qu'il a établie avec Abdul, Sam réussit à approcher l'enfant.

La démission soudaine et inexpliquée de Hetty surprend l'équipe. Callen et ses collègues tentent de découvrir les véritables raisons de cette brusque décision, dans l'espoir de la faire changer d'avis, d'autant plus qu'ils n'apprécient guère sa remplaçante, Lauren Hunter. Face au refus du directeur Vance de venir en aide à Hetty, en difficulté à Prague, toute l'équipe présente sa démission, afin de pouvoir enquêter librement sur l'opération Comescu, qui concerne une grande famille de la pègre roumaine...

Callen, Sam, Kensi et Marty arrivent en Roumanie où ils espèrent pouvoir retrouver Hetty. Sur place, Callen se remémore des scènes de son enfance, notamment lorsque sa mère s'est fait tuer sur une plage. Persuadé qu'il se trouve dans sa région natale, l'agent ignore que Hetty en sait plus que lui sur son passé. Retenue prisonnière par Alexa Comescu, elle parvient à lui soutirer des informations capitales.

La police de Los Angeles demande de l'aide au NCIS après la mort de trois membres d'un cartel mexicain survenu au cours d'un raid. L'un d'eux est identifié comme appartenant à une branche d'al-Qaida. Les membres de l'équipe doivent trouver de quelle manière les deux organisations terroristes sont liées. Leur action est freinée par l'intervention inopinée d'une commissaire de police mexicaine en quête de vengeance.

Après avoir tiré sur le Caméléon, Callen fait un séjour en prison mais bénéficie d'une sortie anticipée grâce à l'intervention d'Owen Granger. Néanmoins, la fusillade fait officiellement l'objet d'une enquête et Callen est suspendu. Sam lui apprend que Hetty a quitté ses fonctions. Sous la responsabilité de Granger, le reste de l'équipe est en mauvaise posture car la CIA mène une campagne de désinformation contre le NCIS.

Après le meurtre d'un analyste de la NSA, Callen infiltre un hôpital psychiatrique où un autre analyste s'est réfugié pour échapper à une cellule de Daesh qu'il traquait à la frontière mexicaine. Alors que l'état de Kensi s'améliore peu à peu, la santé d'un autre membre du NCIS semble en péril...

Un étudiant diplômé en ingénierie est gravement électrocuté. La victime ayant accès aux recherches classifiées d'un projet militaire pour la Navy, les agents enquêtent au sein de sa promotion, réunissant des étudiants de tous pays.