Callen et Sam collaborent toujours avec le capitaine de la marine Harmon Rabb Jr, afin d'appréhender des espions à bord du USS Allegiance. De son côté, Hetty s'associe au lieutenant-colonel Sarah Mac MacKenzie pour neutraliser une attaque par missile au Moyen-Orient...

Face à de nombreuses missions à gérer dans le monde entier, le NCIS doit se séparer. Callen et Sam collaborent avec l'agent du Mossad Eliana Sapir à Tel Aviv. Pendant ce temps, Kensi travaille avec l'agent du département judiciaire de Los Angeles, Lance Hamilton...

Callen et Sam sont chargés de la protection de l'amiral de la marine à la retraite Kilbride, au cours d'une mission visant à retrouver un officier des renseignements porté disparu. Sam veut bousculer la vie amoureuse de son partenaire, en lui conseillant de télécharger une application un peu particulière...

L'USS Allegiance, le navire où se trouve Callen et Sam, est mis en quarantaine pour une possible exposition au virus Ebola. De leur côté, Kensi et Deeks enquêtent sur le meurtre d'un officier de police qui vient de quitter l'USS Allegiance et qui pourrait être lié au virus...

Une nouvelle enquête passionne toute l'équipe du NCIS, qui se lance à la recherche d'un tableau volé d'une valeur de quarante millions de dollars. Sur Internet circule la rumeur que l'oeuvre est vendue sur le marché noir afin de pouvoir financer des activités terroristes. Cette information doit cependant encore être vérifiée. Cela pourrait signifier qu'il existe un réseau criminel...

Les agents du NCIS collaborent, à contrecoeur, avec deux anciens criminels britanniques, Ricky Dorsey et Frankie Bolton. En effet, un redoutable trafiquant a kidnappé la fille de Ricky dans le but de se procurer un système d'armes dangereux...

Lorsqu'un prototype de drone sous-marin est dérobé, l'équipe du NCIS associe ce vol à la fête sophistiquée d'un joueur de jeux vidéo en ligne. Callen et Sam croisent une nouvelle fois la séduisante et mystérieuse Katherine Casillas, courtier d'assurances qui assure les propriétés du joueur.

Le corps d'un lieutenant de la Marine a disparu du lieu où s'est produit un accident de voiture. L'équipe du NCIS, chargée de l'enquête, découvre que son ordinateur portable est manquant, tout comme des informations confidentielles récemment consultées et qui concernent d'anciens membres de la Navy, aujourd'hui à la retraite...

Deux agents s'introduisent chez Beale, qui est en train d'effectuer une mission clandestine pour Hetty. Il s'agit de faux agents du NCIS. Avant qu'il ait le temps de se rendre compte de la supercherie, ils le kidnappent. Prévenus, Callen et Sam se rendent à San Francisco pour tenter de le retrouver...

Akhos Laos, un ancien agent des forces de l'ordre, avait été recruté et formé par Hetty Lange. Mais les choses se sont mal passées entre eux. Aujourd'hui, Akhos est de retour, prêt à se venger de ce qu'elle lui a fait subir. Pendant ce temps, une femme livre une mystérieuse boîte au bureau du NCIS...

Pendant que l'équipe enquête sur le vol d'un virus informatique, Callen et Sam envisagent leur avenir au sein de l'agence. Eric et Nell analysent l'impact de la mission d'infiltration, tandis que Mara, une banquière malhonnête, fait l'objet d'une enquête. Kensi et Deeks, quant à eux, envisagent d'avoir des enfants...

L'officier de la CIA Veronica Stephens demande à l'équipe du NCIS de l'aider à résoudre une affaire. Joseph Olonga, un ingénieur agronome nigérian, a en effet mystérieusement disparu à peine arrivé à Los Angeles. Peu avant, l'homme avait été convoqué aux Etats-Unis par Hetty en personne.

Après une augmentation des décès causés par un opioïde du marché noir, l'équipe du NCIS trouve un lien entre la drogue et un financement d'activités terroristes. Mais au fil de l'enquête Sam et les autres membres du NCIS découvrent que l'argent est employé à d'autres fins...

L'équipe du NCIS enquête sur le meurtre d'un ingénieur de guerre de la Marine, qui a été commis au cours d'une soirée de slam de poésie. Pendant ce temps, Callen demande à Nell de lui venir en aide. Il veut lancer une recherche internationale pour tenter de retrouver la trace d'Anna...

Callen se demande s'il doit ou non accepter la promotion qu'on lui a proposée. Anna Kolcheck vient le voir pour le mettre en garde car il est en danger. Afin de se protéger, il est contraint de travailler avec l'un de ses ennemis jurés pour tenter d'arrêter un réseau de trafic d'êtres humains clandestin...

Au cours d'une mission à l'autre bout du monde, dans la région du Sinaï, une équipe d'agents spéciaux est prise au piège dans une embuscade. Fatima Namazi, qui fait partie du groupe, est capturée et les malfaiteurs demandent une rançon. Callen et Sam contactent Kadri, un agent secret de la CIA, pour qu'il les aide à la retrouver...

Un agent du FBI est tué au moment où il tentait de géolocaliser un agent infiltré. Les policiers du NCIS prennent la relève et tentent de prévenir leur collègue, avant que les criminels ne comprennent qu'un espion s'est immiscé au sein de leur équipe. Le temps est compté et il faut agir vite...

Walter Anderson, un officier du département de la Défense, a disparu. Le NCIS ouvre une enquête et met tout en oeuvre pour retrouver sa trace. L'agent Sarah Raines, sa partenaire, apprend à Sam, Callen et Eric qu'Anderson enquêtait sur un ovni. Pendant ce temps, Anna prend une grande décision pour son avenir...

Sam enquête sur le meurtre d'un exilé iranien qui a voulu renverser le régime actuel de son pays. En parallèle, il tente tout pour sauver Devin Roundtree, un nouvel agent qui, au cours de son jour d'observation avant d'intégrer le service, a accidentellement déclenché une bombe. Quant à Nell, il s'interroge sur son avenir au sein de l'agence.

L'équipe du NCIS est amenée à collaborer avec le département de la justice sur une enquête. Un incendiaire a visé le domicile d'un agent du FBI, qui protège un activiste politique en demande d'asile. Eric, de son côté, doit faire face aux conséquences liées au départ de Nell, qui a quitté l'équipe.

L'équipe du NCIS aide une ancienne employée, qui travaillait en tant qu'opératrice, à retrouver son ex-partenaire, dont elle est sans aucune nouvelle. De son côté, Callen révèle à Sam qu'il va s'installer avec Anna. Deeks, quant à lui, est bouleversé après avoir découvert une critique négative sur son bar...

En Afghanistan, deux Navy Seals ont accusé leur chef d'avoir assassiné un prisonnier non armé. Sam, Callen et Rountree se rendent sur place afin de donner un coup de main sur cette affaire sensible. Il s'agit de déterminer si l'homme est véritablement coupable...