Henrietta Lange decide viajar a Europa Central para rescatar a varios efectivos de la Oficina de Proyectos Especiales, que se encuentran en una difícil situación durante una misión en Rumanía. Durante su estancia en el país europeo, la directora de Operaciones del NCIS es herida por un grupo enemigo. Conscientes de que la vida de su jefa corre serio peligro, el equipo vuela a Rumanía para localizar a Hetty y llevarla de regreso a Los Ángeles antes de que sea demasiado tarde. Mientras tanto, Callen descubre nuevos y sorprendentes datos sobre su pasado.

Los miembros del NCSI unen sus fuerzas con los agentes de la Agencia Nacional de Seguridad para acometer un singular desafío: encontrar al creador de un sofisticado software involucrado en un reciente ataque informático perpetrado contra el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Callen, por su parte, prosigue con su investigación personal.

El agente Sam Hanna se ve inmerso en una peligrosa misión de infiltración en la que simulará ser un experto en explosivos mientras sus compañeros de la Oficina de Operaciones Especiales trabajan contrarreloj para localizar el lugar donde se encuentran los explosivos robados. Entretanto, a pesar de las protestas del equipo, Hunter decide cambiar la dinámica de trabajo de los agentes del NCIS creando dos grupos diferenciados: Callen trabajará con Kensi y Sam con Deeks.

Siguiendo las pistas del asesinato de un reportero de noticias, el equipo se adentra en el oscuro mundo del movimiento de resistencia libio. Hetty, por su parte, desvelará detalles del pasado de Callen.

El departamento de Policía de la ciudad de Los Ángeles pide ayuda al equipo cuando uno de los casos que están investigando conecta a un cártel de la droga mejicano con un perseguido terrorista. Mientras, a Sam le roban su posesión más preciada.

El equipo de NCIS investiga el asesinato de un exoficial de Inteligencia naval que había estado viviendo una doble vida y solía viajar al extranjero utilizando documentos de identificación falsos.

El equipo de NCIS deberá determinar si un exmarine expulsado del cuerpo es el objetivo de una organización internacional o si, por el contrario, ha cometido un asesinato.

Cuando el documento de identificación personal de un marine es encontrado en el cuerpo de un hombre relacionado con un caso de contrabando de materiales peligrosos, el equipo de NCIS obtiene permiso para investigar en México. Además, deberá ayudar a localizar el material extraviado.

La misión secreta que Sam lleva a cabo en Sudán se vuelva demasiado peligrosa, por lo que Callen y el equipo de NCIS deberán encontrar a su agente desaparecido antes de que sea demasiado tarde.

Como consecuencia de un trabajo mal hecho, Hetty se ve forzada a despedir a Deeks y enviarlo de vuelta al Departamento de Policía de Los Ángeles. Mientras, una extraña despedida entre ella y Deeks despierta en Kensi emociones inesperadas por su antiguo compañero.

Se inicia la cuenta atrás para que el equipo de NCIS localice un dispositivo capaz de destruir la ciudad de Los Ángeles que fue robado de un centro de investigación de la universidad. Mientras, Sam intenta hacerse con un codiciado regalo de Navidad para su hija y Eric conoce a los padres de Nell.

Nell pondrá a prueba su alto coeficiente intelectual al sustituir a uno de los investigadores del Departamento de Defensa que ha sido hallado muerto. Por otra parte, la capacidad de Hetty para liderar el equipo será cuestionada por el nuevo asistente de la Dirección del equipo de NCIS, Owen Granger.

Cuando el vehículo que transportaba a Jada Khaled se ve envuelto en una emboscada, los NCIS deberán encontrar al culpable para poder salvarla. Mientras, Sam se ve obligado a enfrentarse a ella por primera vez desde su regreso de Sudán.

Una camioneta del servicio diplomático que transporta un secreto, desconocido paquete es secuestrada, y los chicos del NCIS deben descubrir quién cometió este delito político y qué buscaba con tal acción. Por su parte, Callen y Sam celebrarán cinco años de trabajar juntos cumpliendo una arriesgada misión encubierta.

Con el subdirector Granger pendiente de cada movimiento, el equipo de NCIS deberá localizar a un asesino camaleónico que ha sido capaz de eludir a los agentes federales, incluyendo al detective especial G. Callen, a su paso por diferentes países.

El equipo de NCIS: Los Ángeles busca nuevas pruebas que demuestren la inocencia de Kensi Byle, después de que ésta sea llevada ante la justicia como sospechosa en una investigación de asesinato relacionada con la unidad de francotiradores de la que su difunto padre era miembro.

El equipo de NCIS prosigue con las investigaciones para encontrar nuevas evidencias que prueben que Kensi Byle no es culpable de los cargos que se le imputan.

El equipo de NCIS: Los Ángeles investiga un tiroteo ocurrido a las puertas del Consulado Vietnamita, justo antes de que una conferencia internacional tenga lugar en la sede, a la que el Secretario de la Marina tiene previsto acudir.

Tras el hallazgo del cuerpo de un oficial de inteligencia de la Marina, las pruebas apuntan como principales sospechosos hacia un equipo de los Navy Seals que están a punto de partir hacia una misión de rescate de rehenes. El agente Sam Hanna, exmiembro de esta misma división, será el encargado de interrogar al grupo, hecho que podría poner en peligro la misión.

Cuando se sospecha que un exmarine ha podido fabricar una bomba química, los miembros del NCIS prestan su ayuda a la unidad del F.B.I. encargada de investigar los ataques terroristas, caso en el que también participa el psicólogo Nate Getz.

Mientras Sam y Callen viajan de regreso a Los Ángeles, junto con Danny Williams y Chin Ho; Kensi y Deeks intentan detener a los pasajeros del avión donde viajaba Jarrod Prodeman, pero escapa. Sin embargo, en el avión queda el cuerpo de Sharon Walker una posible víctima del virus que transportaba Prodeman. Para detener lo que puede ser una bomba nuclear, Hetty da carta abierta a Sam y Callen. Eric y Neal rastrean que Prodeman hace un contrato con la Dra. Rachel Holden, epidemióloga contra el cáncer, esta tiene como objetivo esparcir el virus “para salvar a la humanidad” de desastres mayores. El crossover comienza en Hawaii Five-0 S02E21.

Kensi y Deeks deben hacerse pasar por Melissa y Justin, una pareja casada, para investigar una posible célula inactiva de la mafia rusa en un barrio suburbano de la ciudad.

Callen y el equipo del NCIS se enfrentan a su mayor adversario: el vengativo Camaleón. Mientras llevan a cabo una investigación de incógnito, los agentes se ven envueltos en un peligroso juego mental orquestado por el ingenioso criminal.

El equipo sigue envuelto en un mortal juego mental llevado a cabo por un criminal con ansias de venganza. Mientras tanto, descubren que la vida de un hombre inocente corre peligro.