Callen et Sam collaborent toujours avec le capitaine de la marine Harmon Rabb, Jr. afin d'appréhender des espions à bord du USS Allegiance. De son côté, Hetty s'associe au lieutenant-colonel Sarah "Mac" Mackenzie pour neutraliser une attaque par missile au Moyen-Orient.

Face à de nombreuses missions à gérer dans le monde entier, l’équipe du NCIS doit se séparer. Callen et Sam collaborent avec l’agent du Mossad Eliana Sapir à Tel Aviv. Pendant ce temps, Kensi travaille avec l’agent du département judiciaire de Los Angeles, Lance Hamilton.

Callen et Sam sont chargés de la protection de l'amiral de la marine à la retraite Kilbride lors d'une mission visant à retrouver un officier des renseignements porté disparu.

A bord de l'USS Allegiance, le navire où se trouve Callen et Sam est mis en quarantaine pour une possible exposition au virus Ebola. De leur côté, Kensi et Deeks enquêtent sur le meurtre d'un officier de police qui vient de quitter l'USS Allegiance et qui pourrait lié au virus.

L’équipe du NCIS recherche un tableau volé d’une valeur de 40 millions de dollars. Sur Internet circule la rumeur que l’œuvre est vendue sur le marché noir afin de financer des activités terroristes.

L’équipe du NCIS collabore, à contrecœur, avec deux anciens criminels britanniques, Ricky Dorsey et Frankie Bolton. En effet, un redoutable trafiquant a kidnappé la fille de Ricky dans le but de se procurer un système d’armes dangereux.

L’équipe du NCIS associe le vol d’un prototype de drone sous-marin à la fête sophistiquée d’un joueur de jeux vidéo en ligne. De leur côté, Callen et Sam croisent de nouveau le courtier d’assurances Katherine Casillas qui assure les propriétés du joueur.

Le corps d'un lieutenant de la Marine a disparu d'une scène d'accident. L'équipe du NCIS se charge de l'enquête et découvre que son ordinateur portable est absent ainsi que des informations confidentielles récemment consultées pour des anciens membres de la Navy.

Lorsque la couverture d'Eric est compromise et suite à son enlèvement lors d'une mission d'infiltration officieuse d'Hetty, Sam et Callen partent à sa recherche à San Francisco.

Akhos Laos est un ancien agent des forces de l'ordre recruté et formé par Hetty Lange. Il revient pour se venger de ce qu'elle lui a fait subir.

L'équipe enquête sur le vol d’un virus informatique, Callen et Sam envisagent leur avenir au sein de l’agence. De leur côté, Kensi et Deeks envisagent d'avoir des enfants. Eric et Nell analysent l’impact de la mission d’infiltration d’Eric sur leur relation. De plus, l’équipe suit Mara, une banquière malhonnête.

L'officier de la CIA, Veronica Stephens, demande à l'équipe du NCIS de l'aider quand un ingénieur agronome disparaît. Ce dernier a été convoqué par Hetty en personne.

A la suite d'une forte augmentation du nombre de décès par overdose d'opioïdes, l'équipe du NCIS fait le rapprochement entre la vente de cette drogue sur le marché noir qui pourrait permettre le financement d'activités terroristes...

L'équipe du NCIS enquête sur le meurtre d'un ingénieur de guerre navale au cours d'une soirée slam de poésie. Parallèlement, Callen demande à Nell de l'aider pour tenter de géolocaliser Anna...

Anna Kolcheck revient avertir Callen qu'il est en danger. Pour se protéger, il doit maintenant travailler avec un ennemi juré afin d'arrêter un réseau très dangereux...

Fatima est capturée alors qu'elle se trouve en mission, Callen et Sam enrôlent un agent secret de la CIA, Kadri, pour les aider à la récupérer.

Quand un agent du FBI est tué alors qu'il tentait de géolocaliser un agent infiltré, le groupe du NCIS doit prendre la relève et mettre la main sur leur collègue avant que les criminels comprennent qu'il y a un mouchard dans leur équipe.

Le NCIS enquête sur la disparition d'un officier du département de la défense qui enquêtait sur une récente observation d'OVN. Au même moment, Anna prend une grande décision pour son avenir.

Alors que Sam enquête sur le meurtre d'un exilé iranien qui a voulu renverser le régime actuel de son pays, il doit également essayer de sauver l'agent Roundtree, un nouvel agent qui pour son premier jour a déclenché accidentellement une bombe. De son côté, Nell prend une décision concernant son avenir avec le NCIS...

L'équipe du NCIS collabore avec le DOJ sur une enquête autour d'un pyromane qui vise le refuge du FBI protégeant un militant politique en quête d’asile. De son côté, Eric traite les conséquences du départ de Nell sur l'équipe...

Le NCIS aide une ancienne opératrice technologique à rechercher son ex-partenaire disparu. Parallèlement, Callen révèle à Sam qu'il est sur le point de vivre avec Anna et Deeks fait un test de grossesse...

Sam,Callen et Rountree se rendent en Afghanistan pour gérer une affaire sensible, alors que deux agents des forces spéciales affirment que leur supérieur a assassiné un prisonnier non-armé.