Nachdem Callen vor laufenden Fernsehkameras das Chamäleon, Janvier, erschossen hat, wird er festgenommen. Gerade aus der Untersuchungshaft entlassen, wartet schon der Iraner Vaziri auf ihn. Vaziri versucht in Erfahrung zu bringen, zu welchem Preis Callen bereit ist, den Namen des CIA-Spions in Teheran, Cherokee, zu verraten. Atley hat Deeks und Hetty unterdessen preisgegeben, dass er über ein Dossier verfügt, das er Janvier verkaufen wollte…

Bei einem Drohnenangriff in Afghanistan wird der pensionierte Marine Adams getötet. Allem Anschein nach hatte er sich dem Terroristen Al-Ahmadi angeschlossen, der dem Angriff im letzten Moment entkommen konnte. Das Team versucht herauszufinden, weshalb sich Adams in Afghanistan aufgehalten hat. Alle Zeugen halten es für ausgeschlossen, dass er sich zu einem Terroristen gewandelt haben könnte. Die Spur führt schließlich zu einer Firma, die mit gestohlenen Identitäten handelt.

Vier Männer, die sich bisher nie gesehen haben, treffen sich in einem Diner und werden in die Luft gesprengt. Einzige Gemeinsamkeit der Opfer: Sie waren Abonnenten eines Twitter-Accounts des Office of Naval Intelligence, dem Nachrichtendienst der Navy. Mit ihrer Hilfe, so erfahren Sam und Callen vom Betreiber des Twitter-Blogs Dr. Mathers, sollte ein geheimes Computerprogramm entwickelt werden, mit dem man terroristische Aktivitäten vorhersagen kann…

Clay Everhurst wird auf nachts auf der Straße überfahren und tödlich verletzt. Aufzeichnungen einer Verkehrskamera zeigen, dass es sich um keinen Unfall handelt. Der Wahlkampfhelfer arbeitete für die Politikerin Monica Tenez, die für den Senat kandidiert. Da der Mord die nationale Sicherheit betreffen könnte, beginnt das Team zu ermitteln und erfährt, dass Everhurst aussteigen wollte. Wusste er etwas über die sozial engagierte Politikerin, das seinen Enthusiasmus zerstört hat?

Sam bekommt nachts einen Anruf und hört eine aufgezeichnete Nachricht von Frank Turner. Der ehemalige CIA-Agent bittet ihn darin um Hilfe. Als Sam und das Team in Turners Loft eintreffen, finden sie ihn tot von der Decke hängend. Weit und breit ist keine Leiter zu finden, dafür läuft ein riesengroßer Pudel mit Afrofrisur in der Wohnung herum. Was Sam aber noch weit mehr irritiert: Er kannte Turner nur oberflächlich und hatte ihn vor acht Jahren zuletzt gesehen.

NCIS und CIA kommen zu spät: Nachdem die russischen Schläfer-Agenten bekannt sind, stoßen sie in deren Häusern auf Tote. Der verdächtige Waffenhändler Sidorov hat sich bereits in den Besitz der versteckten Nuklearwaffen gebracht. Das Team begibt sich mit CIA-Agent Snyder, einem alten Bekannten von Sam, auf Sidorovs Spur. Snyder will jemanden namens „Quinn“ in Sidorovs Organisation einschleusen – eine geheimnisvolle Person, deren Identität im Team nur Callen und Hetty kennen…

In seinem Strandhaus in Malibu wird der ehemalige CIA-Agent Potter durch einen Anschlag getötet. Gerade als das Team darüber informiert wurde, verschwindet Hetty erst einmal, ohne ein Wort zu sagen.

Am helllichten Tag überfallen kostümierten Männer auf offener Straße einen Goldtransporter und erbeuten Goldbarren im Wert von 70 Millionen Dollar. Wie sich herausstellt, war das Gold als Zinszahlung für einen Kredit Chinas an die USA gedacht. Bei dem Überfall kommt einer der Wachleute und einer der Gangster um. Bei seinen Ermittlungen findet das Team nach und nach alle, die mit dem Überfall zu tun hatten, exekutiert auf. Dann taucht ein Transporter mit Goldkisten auf…

An Weihnachten findet das Team keinen Frieden. Callen, Sam, Kensi und Deeks ermitteln nach dem grausamen Mord an einem NCIS-Agenten an Bord eines Luftfrachters auf hoher See. Nell und Eric müssen ihre Ferien hingegen im Hauptquartier in Los Angeles verbringen. Nur Hetty geht auf Reisen…

Nachts bekommt Deeks einen Anruf von Jenny, einer obdachlosen Mandantin aus seiner Zeit als Pflichtverteidiger. Panisch teilt sie ihm mit, dass sie einem Autoschieberring auf der Spur ist. Während des Telefonats wird Jenny entführt und das Team beginnt zu ermitteln. Sam und Callen suchen einen alten Bekannten auf, der Autos ausschlachtet. Der willigt ein, Kensi als seine Cousine in einer Werkstatt einzuschleusen, die im Verdacht steht mit den Autoschiebern zu kooperieren.

Antonia Prietto glaubt nicht an die Todesursache, die im Totenschein ihres Mannes vermerkt ist. Als der Privatdetektiv, den sie mit Nachforschungen betraute, umgebracht wird, übernimmt der NCIS den Fall. Im Laufe der Ermittlungen offenbart sich, dass Antonias Mann posthum Gewebe und Knochen entnommen wurden – entgegen seiner Patientenverfügung. Die Rechtsmedizinerin Rose gerät unter Verdacht. Doch es ergibt sich noch eine weitere heiße Spur…

Als das NCIS-Team eine Attacke auf einen Polizisten untersucht, kommt es einem geplanten Terroranschlag auf die Spur: In dem Lieferwagen, den der Beamte untersuchte, finden sich Spuren von Ammoniumnitrat – ein klarer Hinweis auf ein mögliches Bombenattantat. Während sich Eric und Nell an die Fersen eines tschetschenischen Verdächtigen heften, will Callen undercover in der Terrorzelle ermitteln. Bald schwebt nicht nur er in Lebensgefahr …

Als ein Spezialkommando bei der versuchten Verhaftung eines mexikanischen Drogenbarons erschossen wird, geraten die Ausbilder der Beamten ins Visier des NCIS. Das Team ermittelt undercover bei den „Tactical Role Players“ und hat bald deren Chef Inman im Verdacht, ein unsauberes Spiel zu spielen. Als schließlich ein Mitglied des TRP ermordet wird, muss der NCIS zu extremen Mitteln greifen – nicht ohne Folgen …

Durch Zufall wird das Team auf eine längst vergessene Terroristen-Gruppe, die „Gun Barrel Party“, aufmerksam. Die Ermittlungen führen den NCIS zu dem Geschichts-Dozenten Roy Hale, der historisches Interesse an der Bombenleger-Organisation zeigt und sich intensiv mit ihr beschäftigt hat. Doch irgendetwas scheint der Gelehrte zu verbergen – wie ließe sich sonst erklären, dass sein Haus in die Luft fliegt?

In Afghanistan gewährte Yusef Sam ein sogenanntes Lohkay. Als schließlich Yusefs Neffe Amir verschwindet, ist es für Sam Zeit, sich zu revanchieren.

Die rechte Hand Sidorovs tötet den Killer Varlamov. Das gefährdet die Tarnung von Sams Ehefrau Michelle, die innerhalb der Verbrecherorganisation von Sidorov undercover ermittelt. Zu allem Überfluss muss Sams Team auch noch mit dem verhassten Snyder zusammenarbeiten. Für Sam wird es im Laufe der Ermittlung allerdings brenzlig: Er gibt sich undercover als Michelles Freund aus und wird von Sidorov in eine Falle gelockt ...

Zwei Tote, die mit einem Kopfschuss hingerichtet wurden, geben dem NCIS-Team Rätsel auf: Ein Mordopfer ist ein Marine, der im Provinznest Moscow in Idaho sein Leben lassen musste. Bei dem anderen Toten handelt es sich um einen Terrorverdächtigen, der ein paar hundert Kilometer weiter weg getötet wurde. Die NCIS-Leute sollen mit dem Roten Einsatzteam des NCIS zusammenarbeiten, das unter der Leitung der Agentin Paris steht. Schon bald finden die Ermittler eine erste heiße Spur …

Callen und Sam stoßen zusammen mit dem Team Red in Idaho auf einige wichtige Hinweise im Fall des ermordeten Marines. Der Täter den die NCIS-Leute schon länger suchen, plant offensichtlich, sich von einem gewissen Ramirez nach Mexico schleusen zu lassen. Also wird Ramirez observiert in der Hoffnung, so auch Spears zu fassen zu bekommen. Der trifft sich unterdessen mit einem mysteriösen Mann, der sich als der Waffenhändler Tommy Kraus entpuppt. Von ihm geht ungeahnte Gefahr aus.

Der Wasserspender in einem Nachtclub war mit Zyanid verseucht. Das kostete einen Navy-Angehörigen das Leben. Die Ermittlungen ergeben, dass das Attentat auf das Konto einer Vereinigung geht, die Amerika von Kriminellen, Kinderschändern und anderen unerwünschten Subjekten flächendeckend befreien will. Callen wird undercover in die Gruppe eingeschleust, fliegt aber auf. Wird er mit heiler Haut entkommen und einen Zyanid-Anschlag auf L.A.s Wasserversorgung verhindern können?

Der NCIS wird mit einem brenzligen Fall betraut: Sam und Callen sollen herausfinden, wer die Leiche eines Drogenbarons aus der Pathologie entwendet hat. Bei ihren Ermittlungen stoßen sie auf den DEA-Agenten Ness, der schon lange nach dem totgeglaubten Drogenboss Barbosa fahndet und nach dem Gespräch mit den Beamten vergiftet wird. Kensi und Deeks recherchieren unterdessen in Mexiko und werden Zeugen eines weiteren Mordes. Jetzt gilt es, ihren Informanten Javier zu schützen …

Eine Frau wird von mehreren Männern in einem Parkhaus angegriffen, wehrt sich und kann zwei der Schläger ausschalten – an sich ist das kein Fall für den NCIS. Dennoch setzt Hetty ihr Team darauf an. Wie sich herausstellt, ist die Frau die Undercover-Agentin Grace Stevens, die den Unternehmer Vandenberg überführen soll: Er wird verdächtigt, unlautere Geschäfte mit dem Iran zu machen. Sam und Callen tun sich mit Grace zusammen, um den Geschäftsmann in eine Falle zu locken.

Deeks hilft der Nachtclub-Hostess Monica, einem schießwütigen Verfolger zu entkommen. Die junge Frau und der Beamte kennen sich, da Deeks undercover in dem Club gegen dessen Besitzer Waaldt ermittelt. Monica ist seine Kontaktperson. Sie hat sich allerdings in Schwierigkeiten gebracht, da sie Waaldt Diamanten im Wert von zehn Millionen Dollar gestohlen hat. Durch einen geschickten Schachzug findet der NCIS heraus, wofür die Edelsteine eigentlich gedacht waren …

Sidorov fordert den NCIS erneut heraus: Im Grenzgebiet zwischen den USA und Mexiko lässt er eine Atombombe hochgehen. Zwei weitere besitzt er noch, die er zu möglichst hohen Preisen verkaufen will. Um das zu verhindern, befreien Kensi und Callen Sidorovs Zwischenhändler Janvier aus afghanischer Gefangenschaft. Mit seiner Hilfe wollen sie Sidorov eine Falle stellen. Sam und Michelle ermitteln währenddessen undercover in Sidorovs Umfeld. Ein riskantes Unterfangen.