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.

Tandis que Sam fait travailler Dominic sur ses compétences de terrain, l'équipe est sollicitée sur une affaire. Un double homicide vient d'être commis dans la villa d'un trafiquant à Malibu. Sur les images enregistrées par la caméra de surveillance de la résidence, Sam reconnaît l'un des suspects : il s'agit d'un de ses anciens camarades de la Navy, avec lequel il était parti en mission en Bosnie.

Lors d'un entraînement militaire, un objet volant radiocommandé transportant deux missiles est détourné de son objectif. Alors qu'un soldat a trouvé la mort dans l'opération, le drone reste introuvable. Informée par un contact de Hetty, l'équipe penche pour la thèse d'un détournement. Bientôt, une vidéo montrant le drone est retrouvée sur Internet. L'équipe va devoir trouver qui l'a mise en ligne...

Un ex-marine, Walton Flynn, employé d'une grosse compagnie privée de sécurité en Iraq, est accusé d'avoir assassiné un homme d'affaires. A son arrivée à Los Angeles, il échappe de justesse aux agents venus pour l'appréhender. L'équipe du NCIS est sur le coup. Après avoir découvert le cadavre de son frère, ils suivent la piste de l'une de ses anciennes camarades, Cherise Dawson.

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.

Un soir de fête, sur une terrasse de Los Angeles, un caporal de la marine, Brandon Valdivia, tombe du toit et meurt. Mais l'équipe du NCIS réalise vite que ce jeune soldat de 25 ans n'avait aucune raison de se suicider. Avec l'aide d'un agent des services secrets, Natalie Giordano, ils apprennent que l'homme était impliqué dans un trafic de faux billets. Ils se lancent à la recherche de ses complices.

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.

Frank McEllon, ingénieur pour la marine, se fait tuer chez lui. Après avoir pensé à une histoire d'espionnage, l'équipe soupçonne son épouse, qui a récemment demandé le divorce, d'avoir fomenté le crime pour s'approprier la fortune de la victime. Mais Abby Sciuto débarque à Los Angeles pour défendre une autre hypothèse : le responsable serait un tueur en série qu'elle a baptisé le fantôme.

Un ancien marine, Asher Ross, qui fut autrefois soldat en Irak dans une unité de déminage, est tué par l'explosion de son téléphone portable. Callen et Hanna portent immédiatement leurs soupçons sur ses anciens collègues. Mais deux d'entre eux, Hasting Kings et Stanton Olin sont à leur tour victimes d'attaques, auxquelles ils réchappent. Seul Tariq Barad demeure introuvable. Le NCIS part à sa recherche.

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.

Le meurtre d'un détenu libéré sur parole oblige l'agent Callen à reprendre une mission d'infiltration qu'il avait effectuée quatre ans auparavant. Trois des anciens complices de la victime sont encore en vie et les cinq millions de dollars qu'ils avaient dérobés alors n'ont toujours pas été retrouvés. Callen reprend contact avec une femme qu'il avait aimée à l'époque et qu'il avait abandonnée sans explication.

Les agents Callen, Sam et Kensi se rendent sur une scène de crime à la suite d'un appel provenant du téléphone de Dominic Vail. Là, ils découvrent que leur collègue a été enlevé après qu'on lui a tiré dessus. Toute l'équipe se mobilise pour le retrouver. Très vite, deux membres d'un gang sud-américain sont suspectés. Callen imagine alors un échange audacieux pour tenter de récupérer Dominic sain et sauf.

Les journalistes de l'émission «Lutte contre le crime» suivent une équipe de l'ATF dans un raid contre des trafiquants d'armes. En pénétrant dans un laboratoire, ils découvrent les corps sans vie de cinq hommes. Ces derniers se faisaient passer pour des marines et travaillaient à l'élaboration d'une arme biochimique. En inspectant les lieux, Sam et Callen ont pu être exposés à une toxine mortelle.

Des hommes armés et cagoulés tirent sur l'agent Kensi Blye dans une banque, puis ils la prennent en otage ainsi que toutes les personnes présentes. Elle décide de tenter une intervention, mais l'un des braqueurs parvient à la maîtriser avant de lui tirer trois balles dans la poitrine... Vingt-quatre heures plus tôt, les agents travaillaient sur une affaire de détournement de fonds orchestrée par des islamistes.

Calvin Lee, un capitaine de corvette qui travaillait pour la Navy sur un projet ultrasecret, est retrouvé pendu sur un pont. Tout porte à croire qu'il s'est donné la mort, mais le NCIS décide de vérifier s'il ne s'agit pas d'un meurtre maquillé en suicide. Des images d'une caméra de surveillance montrent Lee en train de jeter quelque chose? Sam et Callen rencontrent la soeur de la victime.

James Rush, un officier de marine, trouve la mort lors d'une course de voitures clandestine. L'équipe commence à rassembler des éléments. Elle s'aperçoit que le dossier de Rush à la Navy est crypté et qu'il travaillait sur des dossiers classifiés. Callen et ses coéquipiers en arrivent à la conclusion que son véhicule a été saboté. Ils se mettent en quête du pilote qu'il affrontait lors de la course...

Alors qu'il marchait dans la rue, Wendell Dobbs, un marine récemment revenu d'Irak, a été exécuté par un gang qui le suivait en voiture. L'équipe recherche James, le frère de la victime, car il pourrait être la prochaine cible des tueurs et connaître les raisons de cet assassinat. Or, celui-ci ne s'est pas présenté à son travail depuis plusieurs jours. Sam et Calen le retrouvent au domicile de Wendell.

Un marine en permission pour deux semaines, est découvert mort dans une ruelle. Il aurait succombé à une hémorragie. La victime fréquentait assidûment un club d'arts martiaux, les Warriors, composé exclusivement d'anciens soldats. Tandis que Kensi se fait passer pour sa petite amie, Sam infiltre le club en tant que combattant émérite. Très vite, Sam réalise qu'il n'est pas le seul à enquêter sur les Warriors.

L'équipe enquête en compagnie de Deeks sur la mort de Roth, un marine qui s'est tué en voiture. Ils découvrent que la victime avait reçu deux balles dans le corps avant que le véhicule ne quitte la route. La veille, Roth se trouvait dans un club de Los Angeles fréquenté par des vedettes. Callen apprend que la voiture appartient à la belle-fille d'un milliardaire. Mais la jeune femme est introuvable.

Le NCIS reçoit une vidéo montrant un otage enchaîné. Il s'agit d'un agent, Dom, disparu depuis deux mois. Les ravisseurs, des terroristes islamistes, exigent la libération dans les 24 heures d'un de leurs chefs, faute de quoi il sera exécuté. Les autorités refusant de négocier, l'équipe doit absolument trouver l'endroit où est détenu Dom, mais les avis divergent sur les méthodes à employer.

Tous les membres de l'équipe sont traumatisés par la mort de Dom. Hetty va jusqu'à présenter sa démission au chef Vance. Cependant, la traque aux terroristes est relancée lorsqu'un de leurs chefs s'échappe après une fusillade dans un aéroport. Or ce prisonnier était celui dont la libération aurait pu sauver Dom. La collaboration avec l'armée, qui le détenait en secret, s'annonce donc houleuse.

Un homme file Callen, qui travaille sous couverture. L'individu est renversé par une voiture avant que l'agent parvienne à l'identifier. Un inconnu appelle alors Callen et lui propose des informations sur son passé, à condition qu'il livre une clé USB à des Bulgares. Pendant ce temps, le système informatique du NCIS est piraté. L'agence se met en sommeil et Callen se retrouve complètement isolé.

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...