Quando un bombardiere russo scompare mentre sorvola gli Stati Uniti , Callen e Sam devono rintracciarlo nel deserto e mettere al sicuro le sue armi e informazioni prima che i russi a bordo distruggano l'aereo. Inoltre, Hetty dà a Nell un incarico segreto.

All'inizio del processo contro un sottufficiale capo che Callen e Sam hanno arrestato per crimini di guerra l'anno scorso, la squadra dell'NCIS è chiamata ad aiutare a trovare il testimone chiave scomparso.

Il corpo di un riservista della Marina assassinato viene trovato dai ladri nel bel mezzo di una rapina e l'NCIS deve lavorare con i ladri per trovare l'assassino. Inoltre, Kensi e Deeks fanno fatica a decidere se sono pronti a fare il salto e a comprare una casa.

Per ottenere informazioni su una questione di sicurezza nazionale, Kensi deve trovarsi faccia a faccia con un sociopatico che è ossessionato da lei da quando lo ha messo in prigione anni fa. Inoltre, sebbene Eric sia disperato per mantenere Kensi al sicuro, è costretto a lasciare l'NCIS.

Prima di Natale, Hetty assegna a Callen il caso del suo ex fratello adottivo e di sua moglie che, al rientro negli Stati Uniti, vengono incastrati per contrabbando di droga attraverso il confine nelle sue bombole di ossigeno. Inoltre, Deeks sta lottando per non perdere il lavoro all'NCIS.

L'indagine sull'omicidio della squadra dell'NCIS di un uomo che ha venduto informazioni militari porta al rapimento di un medico la cui neurotecnologia all'avanguardia potrebbe essere sviluppata in armi avanzate. Inoltre, i membri del team vengono intervistati da FLETC per vedere se Deeks sarebbe un buon agente NCIS e Callen cerca di avere un colloquio importante con Arkady.

Quando l'NCIS indaga sull'omicidio di un uomo che sta per rivelare l'origine di una massiccia operazione di contraffazione, una vecchia conoscenza diventa il loro principale sospettato e rivela il vero motivo del suo ritorno. Inoltre, Deeks fa fatica durante l'allenamento per diventare un agente ufficiale dell'NCIS.

Mentre l'NCIS deve rintracciare un leader della criminalità organizzata che sta cercando di acquistare tecnologia di difesa rubata, Callen va da Anna per porre l'ultima domanda. Inoltre, Deeks viene espulso dall'addestramento NCIS solo per scoprire che Hetty ha una sorpresa che cambia la vita per lui.

Quando Kam, la figlia di Sam, viene rapita dopo aver guidato le proteste in tutta la città, non si fermerà davanti a nulla per trovare qui. Inoltre, Deeks si ricongiunge a NCIS e Callen cerca risposte su Anna.

Quando Callen si reca al Centro nazionale antiterrorismo con il pretesto di interrogare una risorsa russa del caso di un aereo precipitato su cui ha indagato mesi prima, le carte in tavola si capovolgono e viene detenuto, accusato di essere un agente russo.

Dopo che Callen riceve un messaggio criptico da Hetty, rintraccia la persona che lo pedina, portandolo in una località remota brulicante di russi... e faccia a faccia con Anna.

Per salvare Joelle da ulteriori torture da parte dei russi, Callen e l'NCIS devono offrire Anna come esca a Katya. Inoltre, Callen scopre finalmente chi lo ha accusato di essere una spia russa.

Callen e la squadra scoprono che Anna è trattenuta da un gruppo e devono salvarla prima che venga forzatamente riportata in Russia. Inoltre, l'ammiraglio Kilbride fa a Nell un'offerta seria.

L'NCIS ottiene un disco rigido contenente un video realistico e profondo di un terrorista deceduto e deve recuperare la pericolosa tecnologia dietro di esso. Tuttavia, quando le comunicazioni della squadra vengono dirottate durante la loro missione, scoprono che uno di loro è stato vittima del suo potenziale.

Quando la tecnologia di livello militare viene rubata, Sienna Marchione, un ingegnere sordo, che ha sempre voluto servire il suo paese e l'unico membro della sua squadra a sopravvivere al furto, aiuta Kensi e NCIS a rintracciare la tecnologia prima che venga portata fuori dal paese.

Quando un ufficiale dell'intelligence navale viene torturato e ucciso, l'NCIS deve lavorare con Joelle, che li informa che altri agenti della CIA vengono uccisi allo stesso modo. Inoltre, Kensi riceve una cartolina minacciosa da David Kessler, il sociopatico ossessionato da lei.

Deeks viene rapito da un socio di Kirkin che ha bisogno del suo aiuto e l'NCIS indaga sull'uccisione di un delfino militarizzato dotato di un microchip russo. Inoltre, Beale fa a Nell un'offerta interessante e Hetty ritorna.