Depois que Callen atirou no Camaleão em público no final da temporada passada, as coisas não ficam nada bem na equipe do NCIS. Callen é suspenso e Hetty começa a se ajustar à vida de aposentada.

Um ataque de drone em um complexo no Afeganistão revela o corpo de um fuzileiro naval recém-aposentado, e a equipe do NCIS precisa investigar por que o fuzileiro retornou ao Afeganistão e se ele traiu ou não o país pelo qual lutou.

A equipe do NCIS investiga uma operação de Inteligência que foi comprometida quando quatro pessoas conectadas ao projeto confidencial são mortas na explosão de um restaurante.

A equipe do NCIS deve descobrir se a trágica morte do funcionário de um candidato a senador dos EUA foi apenas um terrível acidente ou uma trama conectada com a política que pode colocar outras pessoas em perigo.

Quando um agente da CIA que trabalhou com Sam Hanna há mais de oito anos pede sua ajuda e é encontrado morto logo em seguida de uma maneira que aparenta suicídio, Hanna e Callen suspeitam de um crime e de uma conspiração maior.

A equipe do NCIS continua sua investigação sobre a morte de um agente da CIA, o que os leva a um perigoso grupo de superagentes russos. Em uma corrida contra o tempo, Hanna corre o risco de ter um segredo exposto.

A equipe do NCIS vai à praia para investigar a possível ligação entre um surfista, um vídeo da Internet e um cientista de tecnologia naval morto.

A equipe do NCIS questiona o motivo por trás do assassinato de um agente aposentado da CIA que se tornou milionário e, no processo, também questiona o que Hetty sabe sobre o caso.

A equipe do NCIS investiga um estranho assalto, executado por homens armados usando fantasias, que pode afetar diretamente a economia dos EUA. Enquanto isso, Deeks testemunha em um caso e Granger insiste em fazer parceria com Kensi.

Callen, Sam, Kensi e Deeks passam o Natal a bordo de um porta-aviões, investigando a morte de um colega, Agente Especial do NCIS. Enquanto isso, Nell e Eric aproveitam as férias na sede e Hetty faz uma viagem.

Um ex-réu de Deeks é visado para que se descubra informações que poderiam desmantelar uma lucrativa operação de transporte de carros com ligações com uma rede terrorista global.

Callen se disfarça para se infiltrar em uma rede de terroristas chechenos que estão recrutando combatentes estrangeiros para se juntarem à sua causa e planejando seu próximo ataque aos EUA.

Callen, Sam, Kensi e Deeks se disfarçam como uma força tática de elite para investigar uma emboscada ligada ao chefão de um cartel com conexões terroristas.

Uma investigação do NCIS leva a equipe a interrogar o único sobrevivente de uma ex-organização terrorista, enquanto Kensi e Deeks seguem pistas pela floresta.

Callen se preocupa que Sam talvez esteja envolvido demais quando assume um caso de pessoas desaparecidas para um ancião afegão que o ajudou anos atrás, quando ele foi ferido em uma missão.

Sam teme pela segurança de sua família quando sua esposa é chamada para trabalhar em um caso que sugere ligações com o infame Sidorov e suas armas nucleares roubadas.

Para resolver um caso em Idaho, Callen e Sam juntam-se ao Time Vermelho do NCIS, uma equipe móvel de agentes que vivem e trabalham juntos enquanto resolvem crimes em vários locais.

Na conclusão de um episódio de duas partes, enquanto a equipe de Los Angeles segue pistas digital e fisicamente, o Time Vermelho do NCIS viaja em seus caminhões móveis em uma corrida para localizar um terrorista astuto antes que ele desapareça.

Quando um jarro de água de uso comum contendo cianeto envenena mortalmente um tenente e deixa um piloto da Marinha em estado grave, a equipe do NCIS investiga se este é um acidente isolado ou um teste para a contaminação de água em grande escala.

Um corpo é roubado depois que uma força-tarefa especial consegue derrubar um infame chefe de cartel, então a equipe do NCIS precisa investigar o vazamento e localizar o corpo desaparecido.

Callen questiona quais as intenções de Hetty num caso bizarro envolvendo uma mulher misteriosa que se revela ser uma agente disfarçada do passado dela.

Deeks se disfarça para obter informações sobre um infame traficante de armas que quer voltar ao negócio, mas a mulher de quem ele se torna amigo leva a operação em uma direção perigosa.

No final da quarta temporada, uma explosão no deserto reacende a busca por armas nucleares roubadas, levando Hetty a reorganizar as parcerias do NCIS: Callen e Kensi vão para o exterior, e Sam e Deeks se unem nos Estados Unidos.