Callen, Sam, Kensi et Marty arrivent en Roumanie où ils espèrent pouvoir retrouver Hetty. Sur place, Callen se remémore des scènes de son enfance, notamment lorsque sa mère s'est fait tuer sur une plage. Persuadé qu'il se trouve dans sa région natale, l'agent ignore que Hetty en sait plus que lui sur son passé. Retenue prisonnière par Alexa Comescu, elle parvient à lui soutirer des informations capitales.

L'équipe enquête sur l'enlèvement d'un homme survenu à la fin d'une soirée caritative. Ancien patron d'une entreprise de logiciels, il avait récemment développé un système d'espionnage et d'information pour le secteur privé. Il semblerait que le gouvernement ait récemment fait l'objet d'une cyber attaque qui proviendrait de son système. Kensi et Eric interrogent son épouse et leur fils, un adolescent solitaire.

L’agent Spécial Sam Hanna est envoyé sous couverture comme expert en bombe pendant que l’équipe sprinte pour localiser quelque part en ville des explosifs volés. Dans le même temps, et sous de vives protestations, Hunter change les duos et met Callen en équipe avec Kensi, et Sam avec Deeks...

L'équipe enquête sur l'assassinat d'une jeune journaliste survenu en pleine rue à Venice Beach. La jeune femme menait depuis plusieurs mois des recherches sur une chaîne de télévision clandestine créée par des rebelles anti-kadhafistes. La piste se confirme quand l'expert de la Libye membre du NCIS échappe de peu à un attentat. Parallèlement, Hetty poursuit ses révélations sur l'enfance et la famille de Callen.

Le NCIS enquête sur le meurtre d'une jeune femme survenu en pleine rue. La victime menait en cachette de son compagnon une double vie. Ancien agent de renseignement de la marine, elle avait des informations secrètes à propos de l'Afghanistan. L'équipe découvre qu'elle avait longtemps travaillé avec un certain Larry Basser. Or Hetty a jadis participé à de nombreuses missions avec lui. Elle décide de le rencontrer.

Le NCIS est sollicité pour résoudre le meurtre d'un comptable japonais sur un quai de métro. L'assassin a été identifié comme étant Connor Maslin, un ancien marine suspendu de ses fonctions après avoir été accusé d'avoir abusé une femme au Japon. Lorsque Callen l'interroge, Maslin lui tient un tout autre discours. Il prétend que la jeune femme qu'il a prétendument violée est sa petite amie et qu'elle fuit son père.

Près de la frontière mexicaine, deux hommes se battent et tentent de s'étrangler l'un l'autre. Lorsque le premier succombe, le second s'empare d'une boîte en bois et s'enfuit à moto. Mais après quelques mètres, il est abattu d'une balle dans le dos. La police parvient à identifier l'un d'entre eux grâce à ses plaques militaires. Sur place, le NCIS parvient à remonter jusqu'à un gang de narcotrafiquants qui sévit à Los Angeles.

Des militaires soudanais torturent Michael Selah, le correspondant de Sam à la CIA. Après l'interrogatoire, il est exécuté. Peu de temps après, Callen est informé par l'agence de renseignements que trois corps ont été retrouvés à Khartoum. Deux d'entre eux appartiennent à des agents de la CIA, et Sam a disparu depuis deux jours. Hetty confirme qu'il y a bien une taupe à la CIA. Callen se rend au Soudan.

Au cours d'une planque qui tourne mal, Deeks tue un homme qui agressait une jeune femme. Or, le défunt était désarmé, ce qui met le jeune policier dans une position inconfortable. Hetty se voit alors dans l'obligation de le congédier. Tandis que Deeks est menacé de subir une enquête des affaires internes, Kensi a du mal à gérer émotionnellement le départ de son coéquipier. Elle s'en confie à Hetty.

L'équipe du NCIS doit localiser un appareil classé secret défense qui a été volé au coeur d'un institut de recherche. L'équipe est sur le qui-vive et ne néglige aucune piste dans cette affaire : cet appareil est en effet tellement puissant qu'il pourrait détruire à lui seul toute la ville de Los Angeles. Les autorités sont en alerte. De son côté, Sam est à la recherche d'un cadeau de Noël pour sa fille. Il veut marquer le coup et tente de lui trouver quelque chose qui lui ferait vraiment plaisir. Quant à Eric, il fait la connaissance pour la première fois des parents de Nell. L'angoisse monte chez le jeune homme avant cette rencontre...

L'équipe est chargée d'enquêter sur la mort d'un chercheur rattaché au département de la défense. Tout porte à croire qu'il s'agit d'un suicide. Cette affaire survient alors qu'un nouveau directeur adjoint est nommé au sein du NCIS. Il s'agit d'Owen Granger et ses manières inhabituelles ont vite fait d'agacer Callen. D'autant plus que Granger remet clairement en cause les capacités d'Hetty à encadrer l'équipe.

L'équipe doit traquer les responsables du braquage d'une cellule de protection du NCIS. Cette dernière transférait un témoin essentiel dans une cachette sécurisée : il s'agit de Jada Khaled, que Sam avait rencontrée au Soudan quelques mois plus tôt. Contrairement aux suggestions d'Hetty, Sam refuse de rester en retrait dans cette affaire. Jada révèle à Kensi et Deeks que son frère Khaled aurait pu commanditer l'embuscade.

Un véhicule transportant des valises diplomatiques pouvant compromettre la sécurité nationale est attaqué. Les deux agents qui menaient cette mission périlleuse ont disparu, contrairement aux règles en vigueur. Eric et Nell ne tardent pas à les identifier : il s'agit de Roger Clarke et Diane Dunross, tous deux partenaires depuis dix ans. Dans le même temps, Callen et Sam célèbrent, à leur façon, leurs cinq ans de collaboration.

Le NCIS est contacté par Martin Källström, un agent d'Interpol basé à Stockholm. Ce dernier a besoin d'aide pour mettre la main sur un tueur en série surnommé le Caméléon en cheville avec une bande de trafiquants d'armes franco-marocains. Le Caméléon vient justement d'abattre sur le sol américain deux hommes d'affaires. La mission pour les agents est d'autant plus délicate que Owen Granger ne cesse de critiquer leurs agissements.

Owen Granger suspecte Kensi de meurtre et la place en détention dans un lieu tenu confidentiel. Elle est en effet la dernière personne à avoir été en lien avec une unité d'élite secrète à laquelle appartenait son défunt père. Or, plusieurs membres de ce réseau ont été assassinés. Granger est persuadé de l'implication de Kensi dans ces meurtres.Tous les collègues de la jeune femme s'affairent pour la disculper.

Considérée comme la principale suspecte dans une enquête pour le meurtre d'un membre de l'unité de tireurs d'élite dont faisait partie son défunt père, Kensi est mise en détention. Ses partenaires tentent de l'innocenter. Les choses se compliquent quand la jeune femme prend la fuite pour tenter de trouver seule le meurtrier de son père. Dans le même temps, Deeks découvre que la mère de sa partenaire est toujours vivante.

Une fusillade survient près de l'ambassade vietnamienne, peu avant le début d'une conférence internationale à laquelle le secrétaire d'Etat américain à la Marine doit participer. Callen et son équipe sont chargés d'enquêter. Ils rencontrent à l'hôpital l'homme qui a été la cible de coups de feu. Il s'agit d'un Vietnamien qui travaille dans un atelier de couture. L'équipe flaire une affaire d'esclavagisme moderne.

Le corps d'un officier des renseignements de la marine est retrouvé sur une base d'entraînement de l'armée. Son régiment de Navy-Seal est sur le point de partir pour l'Afghanistan en mission de sauvetage. Des soldats savent probablement ce qui s'est passé, mais ils refusent de parler. Lorsque l'équipe est convaincue qu'il s'agit d'un meurtre, Sam, qui est un ancien seal, se propose pour interroger le groupe.

Une bombe chimique a été placée dans la voiture d'un marine qui revient tout juste d'Afghanistan. Le véhicule explose en pleine rue. Le soldat nie toute implication. L'équipe de Callen se fait alors épauler par le psychologue Nate Getz. Les enquêteurs sont mis sous pression quand une deuxième bombe est retrouvée. Ils se tournent alors vers Mia Jameson, la colocataire du militaire. Ils découvrent alors qu'elle mène une double vie.

Dans un avion sur le point de se poser à Los Angeles, une jeune femme est retrouvée morte dans les toilettes de l'appareil. Elle rejette du sang par les yeux et par les narines. Elle accompagnait un trafiquant en possession de fioles de variole. Callen et Sam, accompagnés par Danny Williams et Chin Ho Kelly de la police fédérale d'Hawaii, arrivent trop tard à l'aéroport de Los Angeles pour intercepter le trafiquant.

Kensi et Deeks sont chargés de former un couple marié sous couverture pour tenter d'entrer en contact avec un suspect. Peu après le début de leur mission, ils détectent dans le quartier une cellule terroriste russe. De leur côté, Callen et Sam mènent une enquête plus classique. Celle-ci les conduit à se retrouver en contact avec un vieil ami de Callen, Arkady, lui-même menacé par des truands russes.

Callen et son équipe sont chargés de neutraliser Earl Mayfield, le patron d'un stand de tir, soupçonné d'être un mercenaire. Sur place, ils découvrent que l'agent spécial Mike Renko est en mission sous couverture. Sur le point d'être démasqué, Renko se fait tirer dessus sans que le NCIS ait le temps d'intervenir. Hetty comprend bientôt qu'ils ont affaire au Caméléon, un criminel insaisissable que Callen connaît bien.

Callen mène l'interrogatoire du Caméléon mais les réponses sibyllines de celui-ci ne font que le troubler davantage. Granger informe l'équipe qu'un nouvel agent en possession d'informations secrètes est porté disparu et qu'il soupçonne le Caméléon d'être à l'origine de son enlèvement. Un site internet évoqué par le criminel met Callen sur une nouvelle piste. Eric y découvre une vidéo de l'agent Hunter divulguant des informations déterminantes pour l'enquête.