La Temporada 3 de NCIS: Los Angeles comienza cuando el equipo aterriza en Rumanía para rescatar a su jefa y amiga, Hetty Lange (la ganadora del Óscar Linda Hunt), prisionera de un cruel grupo mafioso. Pero la misión de Hetty es tan personal como profesional, poniendo al descubierto un secreto explosivo acerca del pasado del jefe del equipo, “G” Callen (Chris O’Donnell). Este secreto termina por convertirse en la primera colaboración de la historia del equipo con Hawai 5.0, en un esfuerzo común para impedir una pandemia mundial… lo cual al final acaba por cerrar el círculo de la venganza de Callen. El equipo se completa con las valerosas aportaciones del ex-Navy SEAL Sam Hanna (LL Cool J), la agente especial Kensi Blye (Daniela Ruah) y el enlace con el Departamento de Policía de Los Ángeles Marty Deeks (Eric Christian Olsen). Mientras los agentes recorren el mundo persiguiendo criminales, Eric Beale (Barrett Foa) y Nell Jones (Renée Felice Smith) son los magos de la tecnología que, desde la base central, les mantienen al día acerca de todo el espionaje internacional.

L'Office des projets spéciaux (OPS) est une division du NCIS basée à Los Angeles et spécialisée dans les missions d'infiltration. Tête brûlée de l’équipe, l’agent G. Callen change d’identité à chaque nouvelle mission au détriment de sa vie personnelle. Son partenaire, l’agent Sam Hanna, est un ancien nageur de combat (SEAL), spécialisé dans la surveillance. Ils sont accompagnés de Kensi Blye et Dominic Vail, une jeune recrue. La saison 2 accueille le lieutenant de police du LAPD, Marty Deeks qui devient officier de liaison du NCIS. Grâce à une technologie de pointe et à des agents caméléons durement entraînés, cette unité mène à bien de complexes opérations sous couverture pour déjouer attentats et autres menaces terroristes. La responsable hiérarchique n'est autre qu'Hetty, véritable mère protectrice de la section, mais incarnant aussi le rôle de la patronne dure d'oreille.

No final da segunda temporada, Hetty desapareceu misteriosamente. Depois de pesquisar seu paradeiro, a equipe descobre sua localização. A terceira temporada começa com uma tentativa de resgate que revela informações sobre Callen e sua família.