Le NCIS ne parvient pas à localiser une taupe au sein du département, le sous-secrétaire à la Défense Corbin Duggan prend la tête de l'unité de Los Angeles à la place d'Hetty et de Granger.

L'équipe se rend en Syrie pour appréhender une cible de grande envergure et l'un de ses membres est gravement blessé suite au déroulement de la mission.

L'équipe du NCIS enquête sur une affaire d'enlèvement alors qu'il lui manque deux membres ; Hetty est détenue à Washington, et l'autre toujours en soins intensifs suite à la mission en Syrie.

Après l'empoisonnement d'un agent de la sécurité intérieure par un assassin notoire de la Triade, le NCIS découvre un entrepôt de sacs à main contrefaits et une piste menant à des fonds gouvernementaux volés. Nell rejoint l'équipe sur le terrain.

Le meurtre d'un machiniste de la marine avec un haut niveau d'habilitation de sécurité envoie l'équipe chercher des preuves dans toute la ville. Anna Kolcheck s'associe à Callen, et Sam aide Hetty dans l'enquête en cours sur la taupe.

Un agent d'entretien sauve la vie d'un lieutenant commandant, mais l'équipe du NCIS découvre son sombre passé qui met en danger une adolescente du quartier. Sam doit décider quel collègue emmener au match de football de Los Angeles.

Callen s'infiltre dans un hôpital psychiatrique pour rechercher un agent de la NSA qui a disparu alors qu'il traquait une cellule ISIS tentant de traverser la frontière mexicaine.

Un étudiant diplômé développant une arme électromagnétique pour la Marine est attaqué, l'équipe du NCIS découvre un lien avec un conflit international. Kensi poursuit sa rééducation épuisante pour sa blessure à la colonne vertébrale.

Le père de Callen, Garrison, est retrouvé dans la chambre d'hôpital d'un patient du NCIS pendant une affaire d'empoisonnement. Callen doit l'emmener au hangar à bateaux pour l'interroger. L'équipe discute également de ses projets pour Thanksgiving.

La mère de Paige fait appel à l'équipe Scorpion lorsqu'elle découvre accidentellement un réacteur nucléaire oublié sur le point d'exploser.

Sam fait équipe avec Anna et Callen avec Deeks pour enquêter sur la disparition d'un capitaine de la marine qui travaille avec la NSA sur les cybermenaces étrangères. L'équipe célèbre également les fêtes de fin d'année ensemble.

Un réserviste de la marine est tué alors qu'il protégeait un conseiller municipal, Sam est envoyée sous couverture dans une société ayant des liens avec des organisations criminelles. Callen et Anna discutent des prochaines étapes de leur relation.

La taupe a une fois de plus compromis l'équipe du NCIS. Des preuves cachées entraînent l'arrestation de Callen, Sam, Granger et Deeks, le jour où le sous-secrétaire Duggan revient pour demander la démission d'Hetty.

Hetty fait cavalier seul, laissant l'équipe du NCIS dans l'ignorance la plus totale, le flou le plus total et la taupe enlève l'un des agents.

Les nerfs sont à vif quand un agent est retenu dans un lieu inconnu et torturé par la taupe, tandis qu'un autre découvre qu'il a été trahi par la personne qu'il soupçonnait le moins.

Après l'enlèvement d'un résident d'une maison de retraite, l'équipe du NCIS découvre un couple d'escrocs qui passent de maison en maison pour escroquer les personnes âgées.

Sam endosse un ancien pseudonyme lors d'une opération d'infiltration risquée pour faire tomber un insaisissable baron de la drogue. Hetty interrompt la soirée romantique de Callen et Anna pour leur confier une mission d'escorte de prisonniers.

Le département du Trésor américain est piraté, Nell et Eric s'infiltrent dans une maison de retraite pour traquer un mari et une femme férus de technologie liés au crime.

Un ingénieur qui développait un nouveau contre-torpilleur est assassiné, Callen et Sam suivent son collègue en route pour vendre les informations classifiées.

Le NCIS enquête sur une sous-traitante de la défense, Rebecca Larmont, qui conçoit une arme d'attaque nucléaire après que son mari, Victor Larmont, a déclaré avoir la preuve qu'elle vend des secrets de la marine à un gouvernement étranger.

Un capitaine de la marine très décoré, Charles Langston, enlève un fonctionnaire du ministère des anciens combattants qui a détourné des fonds. Le NCIS doit travailler avec les anciens compagnons de guerre d'Hetty au Vietnam pour résoudre l'affaire.

Un vol d'or amène le NCIS à travailler avec les anciens compagnons de guerre d'Hetty, l'amiral retraité AJ Chegwidden, l'amiral Sterling Bridges et le capitaine retraité Charles Langston.

Michelle, la femme de Sam, est enlevée à son domicile. Les ravisseurs exigent la libération de Tahir Khaled, l'ennemi juré de Sam, en échange d'informations sur sa localisation.

Dans cet épisode final de la huitième saison, Sam quitte l'équipe du NCIS et tente d'empêcher son ennemi juré, Tahir Khaled, de s'en prendre à nouveau à sa famille après l'enlèvement de sa femme, Michelle Hanna.