Après avoir tiré sur le Caméléon, Callen fait un séjour en prison mais bénéficie d'une sortie anticipée grâce à l'intervention d'Owen Granger. Néanmoins, la fusillade fait officiellement l'objet d'une enquête et Callen est suspendu. Sam lui apprend que Hetty a quitté ses fonctions. Sous la responsabilité de Granger, le reste de l'équipe est en mauvaise posture car la CIA mène une campagne de désinformation contre le NCIS.

Adam Davis, un marine spécialiste du contre-espionnage est retrouvé mort à l'issue d'une attaque visant un repaire de terroristes au Moyen-Orient. L'équipe doit trouver les raisons de sa présence sur place en compagnie notamment d'un artificier au service d'Al-Qaïda qui a, quant à lui, échappé à l'attaque. Les parents de la victime informent Kensi et Deeks qu'Adam avait prévu de prendre ses distances avec l'armée pour reprendre ses études.

Quatre hommes qui avaient été conviés dans un restaurant meurent dans l'explosion de l'établissement. Les victimes étaient toutes inscrites sur le blog officiel du bureau du renseignement naval et participaient à un projet classé secret défense visant à prévenir les attaques terroristes. Callen et Sam rencontrent le chef de cette opération qui leur confie qu'il y a avait une cinquième personne membre de ce groupe.

L'équipe enquête sur la mort suspecte d'un homme qui travaillait pour Monica Tenez, une politicienne candidate aux élections sénatoriales. A son domicile, Kensi et Deeks découvrent qu'il était sur le point de démissionner. Ils se demandent si la victime n'aurait pas découvert des informations compromettantes sur sa patronne, une activiste du droit des enfants qui dirige une organisation en faveur des sans-abris.

Turner, un ancien co-équipier de Sam, l'appelle en pleine nuit pour qu'il lui vienne en aide. En arrivant sur le lieu de rendez-vous Callen et Sam le trouvent pendu à une corde. La victime était un agent hautement qualifié de la CIA. Chez lui, Eric, Sam et Callen découvrent de nombreux dossiers contenant des informations confidentielles sur des menaces terroristes. Nell constate qu'une femme lui a récemment rendu visite à plusieurs reprises.

Un scientifique spécialisé en technologie navale est assassiné dans l’ambulance qui le conduisait à l'hôpital après qu'il a été blessé dans un accident de voiture. Le coup de couteau mortel qu'il a reçu laisse supposer qu'il s'agit d'un règlement de compte ou d'un crime passionnel. Le défunt était un célibataire qui travaillait sur des projets de surveillance et de sécurité. Callen et Sam vont visiter son laboratoire.

Un ancien membre de la CIA est tué dans une explosion alors qu'il se trouvait sur le balcon de son appartement à Malibu. Depuis sa retraite, il était devenu consultant auprès de plusieurs compagnies de cinéma. A son domicile, les enquêteurs trouvent des vidéos coquines sur lesquelles Deeks reconnaît une jeune femme. Callen est troublé par le comportement étrange d'Hetty au cours de cette affaire.

Une bande de braqueurs attaque en pleine rue un fourgon blindé et provoque un carnage après avoir dérobé des lingots d'or d'une valeur de 70 millions de dollars. Sur les lieux du drame, Sam remarque des traces de sang et trouve le corps d'un des voleurs dans une poubelle. En l'absence de Deeks, appelé à témoigner au procès d'un trafiquant d'armes, Owen accompagne Kensi sur le terrain ce qui est loin d'enthousiasmer la jeune femme.

Un agent spécial en mission sur un navire qui vogue sur la Mer du Japon est retrouvé mort par l'équipage.Callen et ses collègues doivent déterminer si son décès est un meurtre ou non. Un quartier-maître s'était battu avec lui quelques heures avant le drame à cause d'une sombre affaire de drogue. Alors que Noël approche, toute l'équipe est transférée sur le navire pour résoudre cette affaire.

En pleine nuit, Deeks reçoit un appel à l'aide de Jenny, une de ses anciennes informatrices qui prétend avoir des renseignements à propos d'un trafic de véhicules servant à commettre des attentats aux Philippines. Hetty prend ces nouvelles très au sérieux car elle est convaincue d'avoir affaire à un réseau international terroriste. Grâce à des vidéos de surveillance, l'équipe découvre que Jenny a été enlevée.

L'équipe doit élucider le meurtre de Stuart Westridge, un enquêteur privé qui travaillait avec la Navy sur la mort suspecte d'un lieutenant en Afghanistan deux semaines plus tôt. Sam et Callen s'entretiennent avec la veuve du militaire qui est persuadée qu'on ne lui a pas dit toute la vérité sur les circonstances du décès de son mari. Après avoir inspecté le véhicule de Westridge, Kensi se demande si la Navy n'a pas commandité le crime.

Un officier de police est grièvement blessé par les passagers d'une camionnette qu'il venait d'arrêter. Grâce aux images filmées par la caméra de son véhicule, l’un des agresseurs a pu être identifié. Il s'agit d'un Tchétchène ayant des liens avec un groupe terroriste qui opère pour le compte des Talibans. Kensi et Deeks doivent retrouver le véhicule. De leur côté, Sam et Callen vont s'entretenir avec le policier à l'hôpital.

L'équipe est chargée de procéder à une mission de simulation avec des armes modifiées. Il s'agit de s'entraîner à la préparation d'une embuscade. L'exercice consiste à contrer une autre équipe censée incarner les terroristes et dont on soupçonne que l'un d'eux est un traître. Kensi et Deeks sont un peu tendus car c'est la première qu'ils participent à ce genre de mission. Hélas la première étape se révèle être un échec.

Une équipe de télévision en tournage dans une forêt trouve le corps d'un ancien membre d'un groupe terroriste spécialisé dans l'attaque des forces de l'ordre américaines. L'équipe doit déterminer si sa mort est liée à ses anciennes activités. Le groupuscule était au départ composé de huit hommes et un seul est toujours en vie. Il devient le suspect principal dans cette affaire. Kensi et Deeks se rendent dans les bois à la recherche d'indices.

Sam sollicite l'aide de Nell et Eric pour une affaire d'ordre personnel. Mais Granger intervient pour demander de quoi il s'agit. Sam veut protéger à tous prix Yusef, un homme qui lui a sauvé la vie quand il était en mission en Afghanistan. Celui-ci vient de le solliciter car son neveu a disparu à la suite d'un accident. L'agent se voit contraint de régler cette affaire sur son temps personnel. Mais de nouveaux éléments changent la donne.

Un tueur à gages dénommé Viktor Varlamov est retrouvé assassiné sur un banc près d'une plage. Un de ses doigts a été coupé et il porte, tatouée sur le front, une mystérieuse inscription qui correspond à un vieux code utilisé entre prisonniers russes. L'équipe pense qu'il s'agit d'un règlement de compte entre mafieux rivaux. En interrogeant un ami de la victime, Sam et Callen obtiennent le nom d'un suspect potentiel : Dimitri Greshnev, un proche du malfaiteur Sidorov qui s'est approprié deux bombes américaines et qui seraient de retour aux Etats-Unis. Dans cette affaire, l'équipe doit collaborer avec l'officier Snyder de la CIA.

L'équipe enquête sur deux meurtres qui ont été perpétrés avec la même arme. La première exécution a eu lieu quatre jours plus tôt mais le corps vient seulement d'être identifié. Il s'agit d'un Indonésien, proche des islamistes radicaux et qui pourrait être impliqué dans une attaque terroriste. La seconde victime est un marine. Deeks et Kensi font des recherches sur le premier défunt tandis que Callen et Sam s'envolent pour l'Idaho.

Callen et Sam procèdent à l'interrogatoire d'Ari, un proche de Robert Spears qu'ils ont réussi à arrêter. Sam espère le faire parler en lui faisant croire que Spears est décédé alors qu'il franchissait la frontière mexicaine. Ari finit par donner le nom de José Ramirez qui serait le passeur de Spears. A El Centro, Paris et son équipe prennent le relai et tentent de le retrouver. Ils partent en reconnaissance autour du ranch de Ramirez.

Un lieutenant, affecté au transport des parachutistes de l'armée, décède dans un bar à strip-tease lors d'une soirée arrosée le jour de son anniversaire. Les premiers éléments de l'enquête prouvent qu'il a été empoisonné au cyanure. Des soldats djihadistes ne tardent pas à revendiquer cette attaque sur Internet et promettent de recommencer. Kensi et Deeks se rendent dans l'établissement où le meurtre a eu lieu pour visionner les vidéos de surveillance.

L'équipe est chargée de retrouver le cadavre du chef d'un cartel mexicain, Miguel Barbosa, qui a été volé dans la morgue où il était entreposé par un de ses hommes. Manifestement ce dernier a bénéficié d'une aide. Pour retrouver le corps, Callen et Sam vont interroger l'agent Ness qui a pourchassé Barbosa pendant plus de 10 ans. De leur côté, Kensi et Deeks partent au Mexique pour pour obtenir des informations d'un indic.

Hetty demande à son équipe d'enquêter sur une affaire un peu particulière. Il s’agit de retrouver une femme qui a été attaquée une nuit dans un parking par plusieurs hommes mais qui a réussi à s’enfuir. Intrigué par cette requête, Callen découvre bientôt que l'inconnue, membre du NCIS, travaille en infiltration depuis 3 ans pour démasquer un homme d'affaires soupçonné de faciliter la mise en place de programmes nucléaires de pays ennemis.

Une jeune hôtesse de boîte de nuit est la cible de tireurs en pleine rue. Son patron, Johannes Waaldt, ancien trafiquant d'armes d'envergure internationale, est aujourd'hui à la tête d'un projet de purification d'eau en Afrique. En démarrant l'enquête, Kensi découvre que Deeks est infiltré auprès de Waaldt sur ordre de Granger. Les agents sont persuadés qu'il se trouve en mauvaise posture et décident d'intervenir.

Le criminel russe Sidorov sème la panique en faisant exploser dans le désert mexicain une des trois bombes nucléaires qui sont en sa possession.L'équipe du NCIS doit l'empêcher à tous prix de vendre les deux autres. Sam est alors chargé de faire équipe avec sa femme, membre de la CIA, pour infiltrer l'équipe de Sidorov. Dans le même temps, Callen et Kensi s'envolent pour l'Iran afin de rencontrer Marcel Janvier et lui proposer un marché.