Le NCIS ayant été compromis par une taupe, le sous-secrétaire à la Défense, Corbin Duggan, investit les bureaux et prend les commandes. Impuissants, Hetty prépare son départ tandis que Granger fait tout pour que son équipe se concentre sur une affaire sensible de matériel nucléaire.

Callen, Sam, Kensi et Deeks se rendent clandestinement en Syrie pour retrouver et ramener leur cible prioritaire, le terroriste Ahmed Han Asakeem. Lorsque des tirs ennemis entraînent le crash de leur hélicoptère et que l'un d'entre eux est gravement blessé, Nell, Eric et Granger piratent les accès du sous-secrétaire, risquant leurs carrières pour leur venir en aide à distance...

Pour maintenir son équipe en place et gagner du temps, Hetty se dénonce comme étant la taupe. Pendant ce temps, Kensi étant toujours dans le coma, Nell la remplace sur le terrain aux côtés de Deeks après l'enlèvement d'un simple vendeur de tapis par une femme Marine.

L'empoisonnement de deux agents de la Sécurité Intérieure par une tueuse de la mafia chinoise conduit le NCIS à découvrir un vaste trafic d'argent et de contrefaçons. Deeks se partage entre le terrain et l'hôpital, où Kensi ne s'est toujours pas réveillée...

Hetty demande à Anna Kolcheck, en attente d'un poste à l'ATF, d'accompagner Callen sur le terrain dans le cadre d'une enquête sur le meurtre d'un Marine. En parallèle, Hetty envoie Sam interroger l'ex-agent du NCIS Carl Brown en prison, pour lui extirper le nom de la taupe...

Un Marine et sa femme sont secourus par leur homme de ménage lors d'une violation de domicile. Intrigués par les techniques de combat de ce bon Samaritain, Callen et Sam pensent avoir affaire à un possible agent infiltré. Toujours mobilisé au chevet de Kensi, qui souffre d'une paralysie partielle, Deeks peine à la réconforter...

Après le meurtre d'un analyste de la NSA, Callen infiltre un hôpital psychiatrique où un autre analyste s'est réfugié pour échapper à une cellule de Daesh qu'il traquait à la frontière mexicaine. Alors que l'état de Kensi s'améliore peu à peu, la santé d'un autre membre du NCIS semble en péril...

Un étudiant diplômé en ingénierie est gravement électrocuté. La victime ayant accès aux recherches classifiées d'un projet militaire pour la Navy, les agents enquêtent au sein de sa promotion, réunissant des étudiants de tous pays.

Alors que l'équipe enquête sur l'empoisonnement d'une ancienne réfugiée soviétique par une substance radioactive, Callen voit brutalement ressurgir son père, Garrison. Le vieil homme a en effet été retrouvé dans la chambre d'hôpital de la victime. Malgré les réticences de Sam et Hetty, Callen décide de l'interroger lui-même. De son côté, Kensi poursuit ses efforts pour recouvrer l'usage de sa jambe avec l'aide d'un autre patient, Sullivan.

Une inconnue abat deux hommes habillés en policiers devant le domicile de Callen. Les enquêteurs ignorent si elle cherchait à protéger ou à éliminer l'agent. Sam s'inquiète pour la sécurité de son partenaire et s'interroge sur le rôle que pourrait avoir joué Garrison dans cette affaire. Le vieil homme a été placé dans un lieu sûr, à Santa Barbara, par Hetty. Nell, Beale et Deeks allient leurs efforts pour identifier la personne.

Alors que l'équipe n'a plus que 30 jours pour découvrir la taupe qui sévit en son sein, une nouvelle affaire mobilise son attention : la disparition d'une capitaine de corvette qui travaille dans une unité spéciale en collaboration avec la NSA, consacrée aux cyber-menaces. Sam fait équipe avec Anna et Callen avec Deeks. De son côté, Kensi redouble d'efforts pour retrouver sa place.

Le garde du corps du conseiller municipal Tony Hill est tué lors d'une attaque en pleine rue. Cet ancien réserviste de la marine travaillait pour une société de sécurité privée haut de gamme, Kulinda Tactical Security. Les premières recherches révèlent que cette compagnie recruterait des hommes au sein d'organisations criminelles. Hetty envoie Sam en infiltration chez Kulinda pour enquêter sur son personnel.

Alors que Duggan vient faire valoir la démission de Hetty après le délai de trois mois qu'elle avait réclamé pour arrêter la taupe, cette dernière semble avoir un tour d'avance sur le NCIS. En effet, Granger, Deeks, Sam et Callen sont tour à tour piégés et arrêtés par la police, la DEA et l'ATF…

Granger est entre la vie et la mort tandis que Deeks, Sam et Callen sont prisonniers de différentes agences gouvernementales mais Hetty se démène pour sauver son équipe. Alors que Kenzi est enlevée à son tour, les soupçons du NCIS s'orientent vers la CIA…

Enlevée par Ferris, allias Sullivan, Kenzi découvre qu'il est un agent de la CIA en quête d'une vengeance contre le NCIS. Deeks en tête, l'équipe est activement à sa recherche et découvre une nouvelle trahison pendant que Granger est attaqué sur son lit d'hôpital…

L'enlèvement d'un lieutenant conduit le NCIS sur la piste de son grand-père, un vétéran qui détiendrait une pièce en or de très grande valeur. Alerté de la présence de son père, venu surveiller l'ex compagnon de sa fille, Callen le recadre sur ses méthodes et le convainc de dire la vérité sur sa filiation avec Alexandra. Granger, lui, s'enfuit de l'hôpital…

Sam part sous couverture pour une mission risquée visant à piéger un seigneur de la drogue. De son côté, Hetty souhaite que Callen et Anna se charge d'escorter un prisonnier. Elle interrompt donc leur soirée romantique.

Le Département du Trésor américain a subi une attaque informatique sans précédent. Nell et Eric tentent d'enquêter. Sous couverture, ils tentent de suivre un homme et une femme suspects et se retrouvent dans une retraite pour couples.

Après le meurtre d'un ingénieur travaillant sur un projet secret de navire furtif, le NCIS doit s'assurer que le programme n'est pas compromis. Sam et Callen embarquent dans un vol pour Tokyo afin de suivre un ingénieur soupçonné de vouloir vendre les informations confidentielles…

Le barman d'un club cubain échappe à un tir qui lui était destiné. L'homme venait de dénoncer son ex-femme, une designer de sous-marins nucléaires qu'il soupçonnait de vendre des informations à l'étranger. Deeks et Kensi infiltrent le bar cubain en tant qu'homme de ménage et danseuse de salsa…

Le NCIS enquête sur l'enlèvement d'un administrateur corrompu au département des anciens combattants par un homme déguisé en sans-abri. Leurs recherches vont conduire Sam et Callen à collaborer avec deux anciens amiraux et partenaires d'Hetty durant la guerre du Vietnam…

L'enquête du NCIS se poursuit pour retrouver les 40 millions de dollars de lingots d'or appartenant aux anciens vétérans de la bande d'Hetty et volés par un prêteur sur gage. Pendant que Sam, Callen et Kensi sont chargés de surveiller Chegwidden, Bridges et Langston, Deeks, lui, est recontacté par Ellen Whiting des affaires internes…

Michelle Hanna, la femme de Sam et mère de ses deux enfants, est kidnappée à son domicile et enfermée dans un espace clos. Le NCIS reçoit une vidéo expliquant que sa survie dépendra de la libération du prisonnier Tahir Khaled, l'ennemi juré de Sam…

Pour assouvir sa vengeance contre Tahir Khaled et l'empêcher de s'en prendre une nouvelle fois à sa famille, Sam s'affranchit du NCIS en abandonnant son insigne et en échappant à son coéquipier. Pour le stopper, Callen et le reste de l'équipe doivent trouver Tahir Khaled en premier…