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.

Un agent du NCIS est assassiné à Chypre lors d'une enquête sur un groupe terroriste tchétchène qui serait associé à un tueur à gages britannique. Celui-ci est intercepté par Callen, à Los Angeles, alors qu'il a été chargé d'exécuter une femme au foyer sans histoire. Hetty découvre, grâce à un contact, que la cible est en réalité un ancien agent tchétchène qui vit désormais sous couverture, avec son fils âgé de 6 ans.

Un peloton de Marines en mission de surveillance à la frontière mexicaine tombe dans une embuscade au milieu du désert de San Diego. Le NCIS suspecte les narcotrafiquants. Sam reprend une ancienne couverture pour approcher le successeur d’Ortega, Memo Torres. Après des semaines d’absence sans donner de nouvelles, Nathan est de retour au NCIS.

Le NCIS de Los Angeles recherche le meurtrier d'un Marine, dont le corps, amputé d'une main, a été retrouvé dans un parking de Beverly Hills. L'équipe relie sa mort à sa récente mission en Irak, avant de s'interroger sur le mystérieux contenu de la mallette qui lui a été sauvagement dérobée...

La fille du commandant Rehme a été enlevée et enterrée vivante par le copieur d’un tueur en série. Après avoir relié cet enlèvement aux précédents, pour lesquels un homme purge une peine de prison, les agents du NCIS n’ont plus que quelques heures pour retrouver l’adolescente vivante.

Une prise d’otages a lieu dans un bâtiment du NCIS. Callen entre en contact avec la responsable, Tracy Keller, son ex-partenaire à la CIA. Impliquée dans un vol de missiles, cette dernière est devenue la cible du FBI et n’a confiance qu’en Callen pour se sortir de là.

Une cellule terroriste, dont les membres ont subi des opérations de chirurgie esthétique pour échapper au FBI, recherche l’infirmière de la clinique de soins, seule témoin qui peut désormais les identifier. Le NCIS de Los Angeles doit la retrouver avant ces hommes, prêts à tout pour protéger leur nouvelle identité.

Le NCIS recherche les responsables de l’enlèvement et du meurtre d’un ancien sergent de la Force Delta qui traquait des cibles terroristes pour le C.O.S. Durant l’enquête, l’agent Deeks s’implique personnellement auprès du fils de la victime et s’interroge sur la notion de confiance entre coéquipiers.

À Hollywood, le meurtre d’un antiquaire suisse, aussi connu des services de police pour des ventes d’armes illicites, réveille les craintes d’anciens espions internationaux dont l’identité sera compromise à la découverte du carnet d’adresses que tenait la victime. Hetty apparaît sur cette liste noire que son équipe tente de trouver par tous les moyens.

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...

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...

Alors que Sam continue ses recherches sur la découverte qu'il a faite, il surprend un intrus à son domicile. Il s'agit d'un homme de main d'une de ses vieilles connaissances, Arkady Kolcheck, un ancien membre du KGB. Celui-ci lui donne des informations sur les activités illégales d'un milliardaire indien qui serait à la tête d'un trafic de puces d'ordinateurs contrefaites vendues sur le marché américain.

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.

Sur le port de Malibu, un homme est étranglé après avoir remis une enveloppe à un officier du renseignement américain. L'agent, estimé par sa hiérarchie, disparaît sans laisser de trace. Partis à sa recherche, Callen et son équipe découvrent qu'il enquêtait sur Antonio Medina, un homme politique vénézuélien en déplacement à Los Angeles. Parallèlement, Deeks doit suivre un programme de formation continue.

Deux voleurs masqués parviennent à se glisser à l'intérieur d'un entrepôt très sécurisé de la marine. Mais une maladresse attire l'attention des gardiens et un des voleurs est arrêté. L'autre réussit à prendre la fuite, sans toutefois emporter le moindre butin. Afin de découvrir quel était leur objectif, Kensi doit infiltrer l'équipe de cambrioleurs, ce qui rend son partenaire Marty Deeks particulièrement nerveux.

Un ingénieur en aéronautique meurt alors qu'il pratique un ultime test avant le lancement d'un satellite. Certaines technologies de l'engin spatial étant confidentielles et capitales pour la sécurité nationale, Callen et son équipe doivent éclaircir ce décès avant la mise en orbite, cinq heures plus tard. Très technique, cette enquête est l'occasion pour Eric Beal de faire ses premiers pas sur le terrain.

L'équipe met en scène le meurtre de Ray Martindale, un ami et informateur de Deeks, témoin clé dans le procès de Nelson Sanders, un trafiquant d'armes. Deeks et Blye le conduisent discrètement à l'aéroport. Mais quelques heures plus tard, Ray est aperçu à Los Angeles. Deeks tente de découvrir pourquoi son ami lui a menti. Il interroge l'ex-femme de Ray, Nicole, dont il a été autrefois très proche...

Les agents du NCIS enquêtent sur le meurtre d'un homme battu à mort, puis immolé par le feu. Le crime serait lié à un vol qui s'est produit quelques semaines plus tôt, au département de médecine nucléaire. Deux criminels y avaient dérobé des containers contenant des produits chimiques utilisés pour la fabrication d'une bombe. Une course contre la montre commence pour retrouver ces produits et éviter une catastrophe.

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...