Deeks reçoit un appel à l'aide d'une femme, qu'il avait défendue et aidée lorsqu'il était avocat, et assiste par téléphone à son enlèvement. Devenue comptable dans un garage, celle-ci voulait le prévenir de l'existence d'un trafic de voitures volées servant à perpétrer des attentats en Asie...

L'agent de la DEA Talia Del Campo enquête avec le NCIS après le meurtre de son coéquipier. Arrêté pour avoir voulu transmettre une liste d'informateurs au sein des cartels mexicains, l'homme aurait agi sous les ordres d'un cabinet d'étude de comportement sous contrat exclusif avec le gouvernement...

L'équipe du NCIS enquête sur un massacre perpétré il y a plus de vingt ans au Pérou. Une jeune femme, mannequin professionnel, pourrait être une survivante de la tuerie et se retrouve menacée par l'auteur des faits, un général. Marty et Kensi sont chargés de la surveiller, sous couverture...

Alors qu'ils sont en congé, Callen et Sam reçoivent un téléphone portable. Un appel les prévient de l'explosion imminente d'une bombe. Les deux agents parviennent à sauver une vingtaine de personne, mais leur mystérieux correspondant les menace à nouveau de tuer des inconnus s'ils ne lui obéissent pas...

L'équipe fait la connaissance de l'agent Tony DiNozzo, venu de Washington pour récupérer un prisonnier à l'atterrissage d'un vol en provenance de Singapour pour Los Angeles. Accusé de blanchir l'argent de groupes terroristes, l'homme s'est enfui, remplacé par un sosie. La traque commence...

Ruiz, un agent de l'ATF en mission d'infiltration a disparu avec une forte somme d'argent, qui devait servir à réaliser une transaction d'explosifs. Premier coéquipier de Sam au NCIS, avant Callen, Ruiz est un ancien toxicomane. L'équipe doit absolument le retrouver et déterminer s'il est toujours fiable...

Kensi et Deeks enquêtent sous couverture en tant que membres d'une secte pour sauver un employé du département de la Défense qui, victime d'un lavage de cerveau, a révélé des informations classifiées. Pendant ce temps, le reste de l'équipe tente d'empêcher la propagation de ces données sensibles...

Jada Khaled doit être exfiltrée du Soudan par le NCIS car elle court un grave danger. Elle a accepté de témoigner contre son frère, un criminel de guerre. Elle bénéficie à ce titre du programme de protection des témoins. Quand le convoi qui l'emmène est attaqué, elle disparaît, très certainement kidnapée...

Le NCIS doit remonter la piste d'une note retrouvée après un accident de la route. Sur le bout de papier est inscrit le nom d'un terroriste, recruteur et propagandiste de Daesh. L'enquête les mène à une agence de mannequins qui sélectionnerait de jeunes Américaines pour les marier à des djihadistes...

Deeks est arrêté par les Affaires internes de la police de Los Angeles. Il est interrogé sur le meurtre de son ex-partenaire, un policier corrompu et retrouvé mort dans un hôtel. Le NCIS se mobilise pour prouver l'innocence de Deeks et suit la piste d'un ancien membre des Affaires internes...

Un homme décède après avoir été renversé par un camion. Il s'avère qu'il était membre des services secrets nord-coréens. Le NCIS doit découvrir comment il a réussi à entrer aux Etats-Unis. Pendant ce temps, l'équipe se prépare à célébrer Noël. Seul Granger semble n'y trouver aucun plaisir...

Un Marine, qui travaillait comme vigile dans une centrale nucléaire désaffectée, tombe malade, atteint par des radiations. Kensi et Deeks se font embaucher, incognito, dans le même établissement pour découvrir la source de l'irradiation. Ils découvrent que les protocoles de sécurité n'ont pas été respectés...

Le corps de Larry Overson est découvert, flottant dans une marina. Le multi-millionnaire et entrepreneur en technologies de pointe aurait été assassiné à bord de son yacht, puis jeté à l'eau. L'équipe de Callen est chargée de l'enquête car, précédemment, Larry était agent de renseignements dans la Marine...

Alors même qu'ils viennent d'annoncer leur emménagement ensemble, Kensi et Deeks sont chargés d'assurer la protection de Jack Simon, l'ex-fiancé de Kensi, qui a refait sa vie en Afghanistan. Depuis qu'il a découvert les activités d'un agent peu fiable, Jack est la cible de plusieurs attaques...

Dans le but de localiser Arkady en Russie, l'équipe du NCIS part en infiltration avec Anna, la fille de l'ex-agent du KGB, à un gala organisé au sein du consulat russe de Los Angeles. Les enquêteurs espèrent ainsi pouvoir accéder discrètement à l'ordinateur du diplomate au cours de la soirée...

En mission en Russie, Callen, Sam et Anna élaborent un plan pour faire évader Arkady et l'agent de la CIA de prison. Par ailleurs, Callen découvre la signification de G. De leur côté, à Los Angeles, Kensi et Deeks emmènent Eric avec eux pour une opération de terrain...

Après la découverte d'images qui attestent que sa famille est surveillée, Sam, accompagné de son collègue Callen, décide de se rendre en Erythrée. Il cherche à savoir qui se cache derrière cette machination et en connaître la raison exacte. Pour plus de sécurité, les proches de Sam quittent leur domicile...

Alors qu'un transfert de prisonniers est décidé entre les Etats-unis et Cuba, l'échange tourne court. Le détenu cubain fausse compagnie aux surveillants. Il s'avère bientôt, à la surprise générale, qu'Anna Kolcheck l'a aidé à prendre le large. Par ailleurs, Deeks et Kensi ont leur première dispute...

Callen et ses collègues sont chargés d'une nouvelle mission, qui s'annonce difficile. Ils entreprennent de sauver un enfant qui court un danger imminent. Le garçon a en effet été endoctriné par une cellule terroriste. Par ailleurs, Deeks et Kensi évoquent l'éventualité de fonder une famille...

L'équipe de Callen est chargée de la protection d'un commandant de la flotte américaine qui doit assister à une conférence en compagnie d'autres hauts gradés, issus de flottes étrangères basées dans le Pacifique. C'est alors qu'ils apprennent qu'un amiral coréen pourrait être la cible d'un futur attentat...

Le psychologue Nate Getz n'a pas pris contact avec Hetty, alors qu'il mène une enquête sous couverture. Il cherche à établir les liens qui relient le crime organisé au terrorisme. Les agents découvrent qu'il travaille avec un puissant malfrat, au point d'avoir des doutes sur la bonne foi de Getz...

Callen et son équipe enquêtent sur la mort d'un espion nord-coréen. Pendant ce temps, Granger escorte Jennifer Kim, afin de la ramener en toute sécurité à Los Angeles. En discutant avec elle, il semble comprendre que la jeune femme connaît l'espion en question. Elle avoue qu'il s'agit de son propre père...

L'équipe enquête sur la mort d'un pompier, au cours d'un incendie. Durant les investigations, les policiers découvrent qu'un disque dur, contenant des informations sensibles, a été volé dans un conteneur sécurisé du Département de la Défense. Sam et Callen partent en mission dangereuse sur le site...

Sam reçoit un code de détresse de son fils Aiden, qui lui annonce que son école militaire a été prise d'assaut par un groupe d'extrémistes dirigé par Tahir Khaled, l'ennemi juré de Sam. L'équipe se rend immédiatement à San Francisco. Les policiers espèrent appréhender Khaled et libérer les otages avant que d'autres organismes s'en mêlent et rendent la situation plus compliquée...