De retour au sein du NCIS, Sam et Deeks restent traumatisés après avoir été torturés par Isaak Sidorov et ses sbires. Les deux hommes doivent maintenant se reconstruire et oublier ce qui s'est passé. Alors qu'ils sont toujours à la recherche des bombes nucléaires volées, les membres de l'équipe traquent également Marcel Janvier, alias le Caméléon. Celui-ci est parvenu à prendre la fuite et demeure introuvable.

Pour aider Sam et Deeks à surmonter l'expérience traumatisante qu'ils viennent de subir, Hetty fait appel au psychologue Nate Getz. Par ailleurs, le reste de l'équipe enquête sur deux meurtres. William Gardner, un ancien amiral de la Navy, et Jason Carter, un journaliste chargé d'écrire les mémoires du militaire, ont été assassinés à bord d'un jet privé qui s'est ensuite crashé à Burbank.

Un homme au volant d'une Ferrari rouge échappe à la police, à l'issue d'une folle course-poursuite. Soudain, sa voiture explose. Il s'agit de Tom Norris, président d'une entreprise de technologie médicale. Il travaillait sur un projet top secret de vaccin contre la ricine, une toxine, qui pourrait intéresser des groupes terroristes. Le NCIS est chargé d'enquêter au moment où Deeks fait son retour.

L'équipe enquête sur une scène de crime où un message concernant le père de Callen a été inscrit sur un mur. Hetty décide d'écarter G. de cette enquête en l'envoyant en formation dans un camp. Mais celui-ci ne tarde pas à rejoindre ses collègues sur l'enquête, malgré les ordres. En fouillant les lieux, il trouve plusieurs photos de lui enfant. Bientôt, Eric et Nell parviennent à identifier l'homme qui aurait enlevé Reinhardt.

À l'issue d'une course à pied à laquelle elle participait, la petite amie de William Garrett, membre des services de renseignements de la Navy, se fait enlever par des hommes armés et masqués. Garrett est quant à lui introuvable depuis qu'il a pris un congé, une semaine plus tôt. Sam et Callen finissent par le retrouver dans ses bureaux en pleine élaboration d'un nouveau projet. Parallèlement, Kensi s'inquiète pour Deeks.

Un agent de sécurité d'une compagnie ferroviaire est agressé par des hommes masqués puis placé sur des rails avant de mourir écrasé. La victime avait surpris ses attaquants, peu de temps avant, en train de prendre des photos et des mesures. L'équipe pense avoir affaire à une branche d'Al-Quaïda qui prend pour cible les trains. Mais de nouveaux éléments surviennent et conduisent les enquêteurs sur la piste d'une vengeance.

L'équipe enquête sur une fusillade qui a eu lieu à la suite d'un cambriolage dans un bâtiment du département de recherche énergétique. Le gardien des lieux, ancien sergent d'artillerie de la Marine, a été touché sérieusement par deux balles. Callen et Sam partent sur les traces de l'un des fuyards tandis que Kensi et Deeks se rendent dans les bureaux qui ont été cambriolés. Parallèlement, Hetty donne une mission secrète à Nell.

Un officier des renseignements de la Marine basé à Kaboul depuis deux mois a été assassiné au cours d'une permission. Son corps sans vie a été trouvé flottant dans la piscine d'un centre de désintoxication à Malibu. Les soupçons des agents se portent sur un jeune charpentier qui avait sympathisé avec la victime dans le centre. Pour en savoir plus, Hetty envoie sur place Kensi et Deeks sous couverture.

L'équipe enquête sur l'assassinat d'un consultant du Pentagone survenu sur une base du Bahreïn qui était sur le point de remettre un plan pour sécuriser l'arsenal militaire pakistanais. Dépêchés pour récupérer les données confidentielles, les agents échappent de peu à une embuscade et Deeks fait échouer l'opération en se laissant dominer par ses émotions. Sam et Callen utilisent alors les compétences d'un gurkha, un soldat d'élite népalais.

L'équipe traque un ancien leader politique roumain soupçonné de crimes de guerre et de trafic d'êtres humains qui vit désormais à Los Angeles sous un nom d'emprunt, John Vasile. Sam et Callen vont rendre visite à sa femme qui semble tout ignorer du passé de son époux. Pourtant, les agents trouvent une pièce secrète remplie de dossiers et d'armes. Parallèlement, Deeks tente d'avoir des informations sur le lieu où se trouve Kensi.

L'équipe doit protéger Lily Lockhart, la fille d'un sénateur dirigeant une commission d'enquête sur les activités de l'armée chinoise, qui a été agressée à son domicile. Sam et Callen la mettent dans un lieu sûr pour l'interroger. De son côté, Deeks se voit adjoindre Nell pour aller s'entretenir avec le sénateur Lockhart. Quant à Kensi, elle en apprend davantage sur la suite de sa mission en Afghanistan.

L'équipe est appelée sur une scène de crime où des dossiers confidentiels ont été trouvés. L'une des victimes est un agent qui venait de rentrer de Kaboul où il travaillait dans l'infiltration du marché clandestin des devises. Kensi et Granger, toujours basés en Afghanistan, participent à cette enquête en entrant en contact avec des agents locaux liés au défunt pour démanteler un réseau qui s'attaque aux forces afghanes et américaines.

Deux anciens militaires qui avaient également travaillé pour une société de protection privée aux activités douteuses sont assassinés. Sur la scène de crime, Sam et Callen trouvent une chaussure de femme laquelle, selon une prostituée, appartiendrait à une certaine Elise Elena Jaeger. Celle-ci a assisté à l'agression et donne des informations très utiles à Deeks. Parallèlement, Kensi demande à Nell de se renseigner sur l'agent Sabatino.

Trois meurtres sont commis au consulat de Guinée équatoriale, à Los Angeles. Les victimes sont un ambassadeur et ses deux gardes. La scène a été filmée par une caméra de surveillance et l'assassin est clairement identifié. Il s'agit de Michael Santos, soupçonné de multiples meurtres depuis plusieurs années et qui est relié à Tuhon, un célèbre chasseur de têtes travaillant auparavant pour Hetty. Sam et Callen partent à Mexico pour tenter de le retrouver.

Deux personnes ont été tuées lors d'une explosion au marché aux poissons dans le port de Los Angeles. Hetty envoie son équipe sur place pour savoir s'il s'agit d'une attaque isolée ou le début d'une menace internationale. Callen interroge le père de l'une des victimes qui est de nationalité coréenne. De leur côté, Kensi et Granger enquêtent sur la disparition d'un hélicoptère.

Un agent de l'ATF qui était infiltré dans un gang de yakuzas est froidement exécuté. La vidéo de son assassinat est postée sur Internet. La victime enquêtait seul sur des marins qui avaient mis en place un trafic d’armes. Sam et Callen arrêtent l'un de ses jeunes informateurs et l'interrogent. Parallèlement, en Afghanistan, Owen Granger tente de retrouver la trace de Kensi qui a disparu. Il ignore qu'elle s'est laissé capturer pour localiser le Fantôme blanc.

Alors qu'Eric jouait en ligne avec un de ses amis, ce dernier se tirer dessus dans son appartement. Tout porte à croire qu'il a été la cible d'un sniper. La victime, Ira Wells, est un spécialiste des failles informatiques et travaille principalement pour le département de la défense. Sam et Callen le retrouvent rapidement. De son côté, Granger poursuit ses recherches et retrouve le téléphone portable de Kensi loin du campement.

Le NCIS est en crise. En effet, l’agent Kensi Blye a été enlevée par les Talibans soixante-douze heures plus tôt. Le directeur adjoint Owen Granger est parti à sa recherche, mais il n’a pas donné de signe de vie depuis plusieurs heures. Toute l’équipe est immédiatement envoyée en Afghanistan pour tenter les retrouver. Mais tout se complique quand la CIA commence à se mêler de l'affaire.

Adrian Davis, ancien marine et propriétaire d’une société de sécurité, est porté disparu. Peu après, un cadavre est découvert dans sa voiture. Les enquêteurs pensent que cette affaire pourrait être liée à un détournement de plusieurs millions de dollars opéré par Davis, sept ans plus tôt en Irak. Il est possible que l’homme découvert dans la voiture, un Irakien, ait voulu récupérer l’argent volé.

Un homme se fait tirer dessus et enlever en plein Los Angeles. En réalité, il s'agit d'une mascarade, menée par l'équipe de Callen, visant à exfiltrer Paul Angelo, un agent du NCIS sous couverture. Sa mission était d’atteindre un trafiquant qui utilise des bateaux de la Navy pour faire passer de la contrebande aux Etats-Unis. De retour parmi les siens, Angelo ne semble plus aussi loyal au NCIS qu'auparavant.

Un groupe d’hommes armés s’introduit dans un bâtiment sécurisé de Los Angeles. Ils y volent une copie d’un logiciel permettant de faire fonctionner le meilleur drone de la Navy. Au même moment, Sam apprend que Riley Peyton, la fille de l’ingénieur qui a créé le drone, a disparue depuis plusieurs semaines. Mais celle-ci facilite le travail de l’équipe en laissant des indices derrière elle.

A Venise Beach, une voiture piégée explose lors d’une fête de charité organisée pour des Marines. L'attentat fait deux morts et plusieurs blessés. Dana Steele, une jeune journaliste ambitieuse, révèle que l’attaque proviendrait d’un groupe islamique sur lequel le FBI enquête depuis plusieurs mois. Les enquêteurs veulent interroger la jeune femme pour connaître sa source et retrouver les auteurs de l'attaque.

Le corps du Commandant Steven Hill, officier supérieur sur un sous-marin nucléaire, est retrouvé dans une ruelle. La victime a visiblement été jetée du haut d'un pont après avoir fait une overdose de cocaïne. Sur cette l'affaire, Deeks doit faire équipe avec son ancienne partenaire, Talia des Campo, appartenant aujourd'hui à la brigade des stupéfiants. Leurs soupçons se portent sur le plus important cartel de la ville.