Un detective del Departamento de policía de Los Angeles desaparece durante una peligrosa misión secreta. El equipo deberá ayudar a la policía en este caso, aunque al nuevo jefe de investigación, Scarli, no se lo pondrá nada fácil a Callen y a su equipo. Pero, además, esta la operación se complicará cuando descubren que está relacionado con el tráfico de personas, drogas y falsificación de dinero. Mientras Hetty y Nate son enviados a una misión tan secreta, tan secreta que Nate tendrá que trabajar sin tener detalles sobre la misma. Y Callen intentará recomponer su pasado e identificar al misterioso hombre que le observaba en el cementerio.

Un agente de NCIS es asesinado por un sicario profesional en Chipre, cuando el asesino llega a Los Angeles, Callen y Sam intentará encontrarlo y vigilar todos sus movimientos para determinar quién es su próximo objetivo. El equipo averigua que el sicario fue contratado por un grupo terrorista, cuyo líder supuestamente había muerto hace siete años. Mientras, la agente Kensi se prepara una tapadera como supuesta marchante de arte, cuando recibe la visita de un amigo que estará unos días en la ciudad. Pero tendrá problemas para mentir a una persona tan cercana a ella.

Dos marines de Estados Unidos son secuestrados y uno asesinado en una emboscada en la frontera del desierto con México. El equipo de NCIS es requerido para encontrarlos en una misión contrarreloj en la que sospechan que se trata de un asunto de tráfico de drogas. Durante la operación Kensi y Deek pasan mucho tiempo juntos en el desierto, dónde estrechan su relación y aprenden a trabajar juntos. Mientras, Nate vuelve de su misteriosa misión.

En un parking de Rodeo Drive, Beberly Hills, aparece el cadáver de Thomas Porter, un marine de alto rango. CalleN y el equipo tendrán que investigar quien estranguló a Porter y además porqué le cortaron una mano tras quitarle la vida. La investigación les llevará a una de las últimas misiones de Porter para el ejército americano, relacionada con un robo de joyas muy valiosas del Museo Nacional de Irak. Ante este escenario, el equipo de NCIS barajará principalmente dos opciones, que un joyero iraquí muy devoto quisiera hacer justicia por su cuenta y asesinara Porter. O que algún compañero de la marina y cómplice se deshiciera de él. Además se une al equipo de Los Angeles Nell Jones, una joven e inquieta analista que no deja de entrometerse en el trabajo del resto.

Un francotirador asesina en la playa a un científico asignado al DARPA, un proyecto militar de alto secreto, por lo que el NCIS decide investigar el caso. Poco después, Sam y Callen descubren en una oficina el cuerpo sin vida del socio de la víctima tras ser brutalmente golpeado. Los expertos en infiltración comparan las evidencias de ambos crímenes cuando Leon Vance les informa que el responsable es Lee Wuan Kai, una asesina profesional que estuvo a punto de acabar con su vida hace unos años. La investigación da un giro inesperado cuando la sospechosa llama a Vance para informarle que ella no mató al socio del científico.

El equipo recibe una llamada de la policía de Los Angeles que les informa de que el edificio de reclutamiento naval de la ciudad ha sido tomado con muchos rehenes dentro. Uno de ellos resulta ser Tracy Keller, la ex mujer de Callen, a la que no ve desde hace cinco años, cuando desapareció sin dar explicaciones. Tracy pidió a los secuestradores contactar por teléfono con su ex marido para intermediar de alguna manera y terminar con esta situación. Pero la resolución de este secuestro relacionado además con unos misiles, será muy complicada.

Un alto cargo del ejército recientemente retirado aparece asesinado con claras muestras de tortura. El equipo de Callen y Hanna, mientras busca entre los líderes terroristas al sospechoso, descubre que la víctima, Richard Booth, trabajaba

paralelamente como cazador de recompensas y que tenía planeado regresar a Oriente Medio para cobrar millones de dólares por una operación secreta.

Kart Renner, un famoso vendedor de armas es asesinado y todo apunta a que los culpables buscaban un libro negro con información detallada de los principales vendedores de armas del país. Renner recibió ese libro de Branston Cole, un espía conocido por Hetty, a cambio de poder emigrar al Oeste de forma segura. Callen sigue a Hetty, consciente de que su jefa les está ocultando información. Por su parte, Deeks y Kensi son secuestrados mientras inspeccionan la casa de la víctima.

En la búsqueda por el misterioso libro negro del vendedor de armas, el NCIS se encuentra con nuevas víctimas. Esta vez es Cole, el espía que trabajó con Hetty años atrás, el que aparece muerto en circunstancias extrañas y el NCIS sigue sin tener rastro de los asesinos ni del paradero de los agentes Deeks y Kensi. La cámara de seguridad de la clínica en la que Cole apareció muerto fue desactivada por los asaltantes, pero Callen consigue hacerse con una grabación en la que puede verse a dos sospechosos hablando ruso. Los secuestradores de Deeks y Kensi negocian su liberación a cambio del libro. Eric y Nell deben descifrar un código de imágenes que parece indicar el lugar donde está escondido, pero el tiempo se acaba.

La Navidad llega a Los Angeles y un grupo de personas canta villancicos en la puerta de una casa. Tras el sonido de unos disparos, un hombre envuelto en sangre abre la puerta y, tras él, aparecen dos personas asesinadas. El equipo del NCIS descubre que este hombre era un antiguo miembro de la Marina que combatió en Afganistán y que dejó su puesto por problemas de ansiedad. Aunque todo apunta a que es el autor de los asesinatos, algunos detalles no cuadran. Tras continuar con la investigación, Callen y Sam descubren algo relevante sobre el pasado del sospecho. Paralelamente, Kensi acude a su psiquiatra para buscar alguna conexión con estas muertes.

Dos hombres armados irrumpen en el tanatorio y roban el cadáver de Yusef Afzal, un hombre árabe que apareció ese mismo día asesinado en su casa. En la autopsia realizada sobre Yusef horas antes, se detectó un residuo nuclear. El equipo del NCIS: LA deberá encontrar el cadáver de Yussef y averiguar qué relación tenía con el residuo. Mientras Eric se encarga de rastrear de dónde salió el residuo, los agentes G. Callen y Sam siguen la pista de Yusef hasta un hospital de Los Angeles, donde se encuentran con una sorpresa muy desagradable.

El NCIS deberá entrar en acción tras la publicación en un blog de numerosos archivos clasificados del ejército, pero un grupo de mercenarios de origen desconocido se adelantan. El equipo de Hetty encuentra al propietario del blog asesinado y con muestras de haber sido previamente torturado. Sam decide hacerse pasar por el blogger y envía un correo a su fuente para concertar una cita con el soplón. Entonces descubre que no es el tipo de persona que esperaba.

El equipo de NCIS acude a la cárcel de Los Angeles después de enterarse de que Moe, el contacto de Sam en la prisión, ha sido atacado. Pronto descubren que el ataque de Moe se debía a la ceremonia de iniciación de un grupo secreto de terroristas que tiene a varios presos entre sus filas. El NCIS se comprometerá para que Moe se quede a salvo y liberarle si consigue más información sobre este grupo criminal. Mientras, Sam se infiltra para proteger a Moe. Además, en la cárcel Sam descubrirá a alguien muy especial para el equipo del NCIS.

El agente especial Callen descubre en su casa a un espía que trabaja para Arkady, una unidad especial de la KGB en la que el mismo Callen trabajó anteriormente. El espía le informa a Callen de que un conocido filántropo multimillonario está a punto de recibir un cargamento de chips de contrabando con planos secretos e información confidencial del ejército de EE.UU. El equipo del NCIS deberá acercarse al máximo al rico filántropo y Kensi será la encargada de hacerse pasar por una atractiva cazarrecompensas para ganarse su confianza.

El Servicio de Investigación Criminal Naval de Los Angeles lleva unas semanas investigando el caso de un grupo de militares corruptos que permite a los principales criminales del país su libre circulación a través de la mayor autopista de EE.UU. Callen y Sam consiguen identificar al cabecilla del grupo, pero está herido de gravedad por un disparo. Posteriormente, encuentran una forma para infiltrarse en el grupo militar. Una vez dentro, descubren que las intenciones reales del grupo son otras: están a punto de robar la cabeza de un misil nuclear.

El agente Deeks recibe un disparo en lo que parece un ataque premeditado de una banda criminal. Mientras Kensi vela por la salud de su compañero en el hospital de Los Angeles, Callen y Sam vuelven al lugar del incidente en busca de pruebas. Eric, por su parte, consigue rastrear el paradero de los culpables que, para sorpresa de todos, se encuentran en el parking del hospital donde Deeks está ingresado. Tras un peligroso tiroteo, uno de los dos sospechosos consigue huir. Sam y Callen llegan a la conclusión de que su misión va más allá de acabar con la vida de Deeks.

Sam recibe un mail dirigido a uno de sus alias, Hakeem Fayed, con un lugar y una hora en la que reunirse. El mail lo envía Abdul Habaza, un terrorista árabe con el que Sam tenía cuentas pendientes. Hetty acaba dando permiso a Sam para su reunión con Habaza, aunque tiene un mal presagio. Antes de acudir a la cita, el agente rastrea el mail y acude a la habitación del motel donde fue enviado. Allí se encuentra con un hombre muerto, un pasaporte falso con su propia foto y un billete de avión a su nombre con destino a Yemen. Callen acompaña a Sam hasta Yemen. Allí descubrirá que Fayed ha secuestrado al hijo de 7 años del príncipe de Arabia Saudíta.

Los agentes G. Callen, Sam y Hanna seguirán las pistas de un importante político venezolano que, tras la extraña desaparición de un comandante de inteligencia naval que le investigaba, puede estar en peligro.

La agente especial Kensi Blue tratará de hacerse pasar por una experta ladrona con una clara intención: descubrir cuál es el objeto de deseo de uno de los ladrones más perseguidos del mundo. Kensi se verá en serio peligro si sus compañeros no actúan con celeridad.

Un ingeniero aeroespacial es asesinado durante la última prueba de un satélite que iba a ser puesto en órbita al día siguiente. El equipo del NCIS deberá averiguar hasta qué punto el asesino pudo sacar información tecnológica secreta. Hetty cree que Eric, el experto en sistemas del equipo, puede obtener información sobre el caso. Por eso, Eric acude al lugar del crimen haciéndose pasar por un supervisor de la Comisión Federal de Comunicaciones, aunque la cámara de pruebas se bloquea con él dentro, poniendo en riesgo su vida.

Los chicos de 'Hetty' piensan que ha podido ser secuestrado y que su vida corre peligro. Y es que Ray había testificado en un juicio contra una banda de criminales. El coche que Ray alquiló aparece abandonado con disparos en su carrocería, pero sin ninguna muestra de sangre. Deeks y Kensi consiguen encontrarle, pero tras un tiroteo Ray vuelve a escapar. Tras esto, acuden a la mujer de Ray en busca de alguna pista, pero descubren que ella le vendió a sus secuestradores porque Ray le fue infiel y dejó a su amante embarazada. El equipo deberá encontrar a Ray y su amante antes de que los criminales acaben con ellos, pero el tiempo corre en su contra.

El cuerpo de un hombre calcinado es hallado en las playas de los Ángeles, su identificación es muy difícil, pero tiene que ver o implica material radiactivo. Luego de la autopsia el cuerpo es identificado como Brent Dundas, aunque para todos era: Brian Young.

Los efectivos del NCIS investigan el asesinato de un oficial de la Marina durante un tiroteo contra unos narcotraficantes.