Sam et Callen sont pris au piège dans un sous-marin équipé par des terroristes pour neutraliser un porte-avions nucléaire américain qui se trouve à San Diego. Malgré les consignes très strictes de sa hiérarchie, Hetty met tout en œuvre pour les aider et décide de cesser de faire ses rapports à Washington jusqu'à nouvel ordre. De leur côté, Kensi, Deeks, Beal et Jones doivent localiser le sous-marin avant que la Navy ne donne l'ordre de le détruire.

L'équipe est alertée par la police à propos du meurtre d'un programmateur informatique indépendant qui a travaillé pour la cybersécurité de la Navy. Granger décide de mettre Callen et Hanna sur cette affaire alors qu'ils sont en mission d'infiltration. Furieux que leur couverture soit compromise, les deux partenaires s'exécutent néanmoins et commencent par interroger la sœur de la victime. Parallèlement, Hetty se trouve à Washington pour justifier la mission de Kensi en Afghanistan.

L'équipe est en alerte maximale depuis qu'elle a découvert que deux intrus ont été surpris dans la maison de Hetty. Tout porte à croire que son adresse a été vendue sur le site Internet de marché noir Chauvenet et que les inconnus préparaient un enlèvement. Duke, l'agent de sécurité personnel de Hetty, a trouvé la mort lors de l'intrusion. Celle-ci apprend la nouvelle alors qu'elle est en plein interrogatoire à Washington et est victime d'un malaise.

L'équipe comprend que Mattias Draeger, l'un des vieux adversaires d'Hetty pendant la guerre froide, est à l'origine de l'intrusion à son domicile. L'agent Callen prend l'initiative de partir immédiatement en solo à sa recherche et décide d'offrir la totalité de ses économies pour obtenir des informations sur lui. De son côté, Hetty rencontre l'amiral Kilbride qui lui propose un poste prestigieux à Washington.

Six hommes armés déclenchent une fusillade meurtrière dans les locaux d'une entreprise gérant la comptabilité de plusieurs agences gouvernementales, dont celle du NCIS. L'équipe part à la recherche du seul survivant, Milton Mulrooney, qui a disparu juste après l'assaut. Nell et Eric ne tardent pas à le localiser au Mexique. Callen et Sam sont aussitôt envoyés sur place tandis que Kensi et Deeks se rendent sur les lieux du drame.

Alors qu'il est au volant de sa voiture en compagnie de Callen, Sam se fait arrêter par le FBI qui l'accuse de meurtre. Les faits qui lui sont reprochés concernent une femme qu'il affirme ne pas connaître. Pourtant, son ADN a été retrouvé sur le corps de la victime. Consternée, l'équipe décide - malgré les ordres de Granger - d'enquêter discrètement sur l'affaire pour disculper Sam. Leurs recherches les conduisent sur les traces de Turner, un ancien marine.

Un membre d'une organisation terroriste grecque est tué par un drone télécommandé alors qu'il se trouvait dans une chambre d'hôtel. L'équipe est chargée de savoir ce que la vicitme faisant à Los Angeles et qui a commandité son meurtre. L'agent Rollins, de la sécurité intérieure, informe Hetty que le défunt avait été placé dans le programme de protection de témoins. Nell, experte en robots télécommandés se révèle très utile dans cette enquête.

Le corps d'un sans abri a été trouvé par la police dans une allée, dans le nord d'Hollywood. Le défunt, Harrison Goodsell, était un ancien marine et membre d'une division de la CIA pour laquelle il avait été en mission en Afghanistan, en Iran et en Russie. Tout porte à croire qu'il a été torturé avant d'avoir la gorge tranchée. Sam et Callen suivent une piste qui les mène à une jeune espionne, Bonnie.

L'équipe est en alerte maximale lorsque Granger est victime d'un violent accident de voiture au milieu de la nuit. Sur les lieux du drame, Sam a le pressentiment qu'il s'agit d'une attaque ciblée. De leur côté, Kensi et Deeks rendent visite au directeur adjoint qui se trouve à l'hôpital et apprennent qu'il a été empoisonné. Les agents sont surpris par l'attitude d'Hetty qui ne semble pas s'impliquer dans cette affaire et demeure étrangement mutique.

L'équipe enquête sur une effraction qui a eu lieu au domicile de l'officier Nicole Borders, membre éminent de la CIA et proche de Granger. L'intrus qui s'est introduit dans la maison a tué au cours d'une explosion un paparazzi. Celui-ci avait récemment fait du tort à un joueur de basket très en vue en prenant des photos compromettantes de lui. Les agents cherchent à comprendre le lien qui unit le photographe à Nicole Borders.

Une entreprise de sécurité informatique a été attaquée par des malfrats déguisés en pères Noël. Peter Weber, le fondateur de cette société, est un expert des antivirus qui travaille notamment avec le Département de la défense. Les agents sont chargés de vérifier que rien concernant la sécurité nationale n'a été dérobé dans ces bureaux. Joelle Taylor, une femme que Callen fréquente sous couverture, est impliquée dans cette affaire.

Callen se retrouve au cœur d'une prise d'otages au sein d'une entreprise dans laquelle il est en mission secrète pour enquêter sur Tom Blanchard, un trafiquant d'armes. Les terroristes exigent la libération de redoutables criminels et menacent de tuer un otage toutes les heures. Blanchard est le premier à être exécuté. Kensi, Deeks et Sam doivent trouver le moyen d'entrer dans l'immeuble et de localiser Callen.

L'équipe est alertée à propos d'une attaque meurtrière qui s'est produite au Consulat américain en Tunisie. L'ambassadrice Nancy Kelly et une partie de ses collaborateurs ont réussi à s’enfuir. Mais deux Américains ont péri. L'un est un marine dont Sam était proche. Malgré une interdiction gouvernementale de se rendre sur place, Callen et Hanna partent en mission secrète pour collecter des indices, avec la bénédiction d'Hetty.

Suite à une course poursuite, la police retrouve un jeune homme mort. L'équipe ne tarde pas à soupçonner une attaque biochimique. Sam et Callen se retrouve à enquêter sous couverture au Mexique. Le reste de l'équipe découvriront un passage souterrain entre les Etats-Unis et le Mexique.

Alors qu'ils ont rendez-vous avec un informateur concernant la disparition d'un analyste de la NSA, Callen et Sam tombent dans un piège et se font enlever après avoir été drogués. Rapidement alertée, l'équipe se mobilise. Kensi et Deeks se rendent sur les lieux de l'enlèvement où ils retrouvent le véhicule des deux agents.

Au moment où Eric et son équipe tentent d'intercepter une espionne indienne, Sam est blessé par balle. Choqués, ses collègues tentent de découvrir qui a tiré. Pendant ce temps, Kensi et Deeks ont leur première vraie dispute, tant et si bien que la jeune femme se demande s'ils n'ont pas un peu brûlé des étapes dans leur relation amoureuse...

L'équipe du NCIS se lance sur les traces de deux soldats afghans qui s'entraînaient sur le sol américain, et qui sont portés disparus. Callen et ses hommes espèrent éviter que les deux hommes ne révèlent des secrets militaires à leurs ravisseurs. Pendant ce temps, remis de ses blessures, Sam annonce son retour au bureau. Mais ses collègues se demandent si ce n'est pas un peu prématuré...

Trois agents du FBI sont tués lors de l'explosion de leur véhicule. Ils venaient d'achever une mission au cours de laquelle ils ont piégé un aspirant terroriste en lui proposant du plastic. C'est cet explosif qui est à l'origine de leur mort. Le NCIS est chargé de l'enquête, car la destruction du véhicule n'est pas le résultat d'un accident mais bien un acte délibéré. Les agents découvrent que d'autres bombes sont en circulation dans la ville. Parallèlement, Hetty découvre la relation entre Deeks et Kensi. Elle les sépare en forçant Kensi à faire équipe avec Sam et en donnant à Deeks Callen comme adjoint...

L'U.S. Navy teste un nouveau missile, mais l'essai tourne mal. L'arme est piratée et utilisée pour détruire un bateau civil. L'équipe du NCIS est aussitôt chargée de s'assurer qu'aucun autre système de l'U.S. Navy n'a été infiltré par des criminels. Après quelques recherches, les agents commencent à se demander si cette action n'est pas le résultat d'un conflit au sein d'une organisation de pirates informatique. L'équipe requiert une aide spécialisée. Hetty propose l'assistance d'une jeune informaticienne. Certaines jalousies s'en trouvent exacerbées, surtout lorsqu'Eric se rapproche de la jeune femme...

Un gang de suprémacistes blancs est soupçonné détenir du matériel radioactif capable de servir pour une bombe. Afin d'approcher les responsables du groupe, Callen se fait passer pour un détenu avant d'être envoyé dans la prison où se trouvent certains de ces extrémistes. Kensi, elle, se fait passer pour la petite amie de Callen...

Callen et Sam sont très surpris de constater qu'Arkady, pourtant donné pour mort, est bien vivant. Ils étaient persuadés qu'il avait été assassiné. Le Russe vient même demander de l'aide aux agents du NCIS. C'est ainsi que toute l'équipe se retrouve à enquêter sur des ventes d'armes entre les Etats-Unis et la Russie, alors que celles-ci sont soumises à un embargo. Pour démasquer les commanditaires, le NCIS décide d'utiliser Arkady comme appât. Cette tactique semble fonctionner car des tueurs cherchent rapidement à éliminer, cette fois définitivement, le nouveau collaborateur de Callen et Sam...

Arkady Kolcheck, l'ami et informateur de Callen mêlé à la disparition d'un pétrolier, refait surface lorsque l'équipage du navire est retrouvé en mer. Le NCIS cherche à découvrir qui a pu prendre le contrôle du super-tanker. Au contact de Kolcheck, Callen tente d'en apprendre d'avantage sur le rôle exact de son père à l'époque où il aidait des réfugiés à fuir la Russie.

Dans l'affaire du pétrolier volé, Callen, Sam, Deeks et Kensi sont envoyés à Moscou pour identifier les acheteurs et retrouver la fille d'Arkady Kolcheck, Anna, qui a été kidnappée. Callen apprend que son père, Nikita Reznikov, envoyé au goulag en 1974 pour avoir aidé des dissidents russes à fuir le pays, aurait pourtant continué ses activités jusqu'en 1988 sous une autre identité.