Las armas nucleares siguen robadas y el equipo debe encontrarlas. Mientras, Sam y Deeks intentan lidiar con la traumática tortura que tuvieron que soportar.

Hetty sigue muy pendiente de Sam y Deeks a pesar de que el primero ha pasado la evaluación con nota y el segundo sigue descansando. Hetty llama al psicólogo Nate Getz para ayudarles a hacer frente a su traumática experiencia. Mientras tanto, el resto del equipo de NCIS: de Los Ángeles investiga el asesinato de un ex vice almirante de la armada clave en la lucha antiterrorista, obligado a retirarse diez meses antes por sus críticas abiertas a la administración, y un polémico periodista que iban a bordo de un jet privado que tras ir desviado de su ruta y volar demasiado bajo se había estrellado en las pistas del aeropuerto de Burbank.

Un Ferrari rojo que era perseguido por la policía por saltarse un semáforo en rojo explota cuando el conductor, Tom Norris, ya había conseguido darle esquinazo a las fuerzas del orden. Norris era el gerente de una empresa local de tecnología bio que trabaja en una vacuna secreta contra la ricina, una de las toxinas más potentes conocidas. El equipo del NCIS de Los Ángeles debe averiguar si el proyecto de la vacuna corre peligro y si puede caer en malas manos.

El equipo de NCIS: LA se encuentra en peligro mientras investiga un caso de secuestro de un hombre que dice ser el padre de Callen.

El analista Nell Jones se une al equipo en una investigación cuando Robin Henson, la novia de un ex oficial de la armada, es secuestrada a plena luz del día mientras participaba en una carrera. Su novio William Garrett era oficial de inteligencia de la marina y experto en navegación de drones ultrasecretos pero se había licenciado una semana antes. El rapto podría estar motivado por la intención de cambiar a la chica por secretos de la Marina americana. Mientras tanto, Deeks rompe sin saberlo, una de las reglas de Hetty al realizar una compra.

Callen debe infiltrarse en un prestigioso instituto para seguir de cerca a un joven hacker de 15 años que podría estar relacionado con acciones terroristas.

El equipo del NCIS: LA debe avisar a Seguridad del Estado cuando una investigación por asesinato descubre una mayor amenaza a un tren de Los Ángeles.

Con una amenaza terrorista acechando la ciudad de Los Angeles, el equipo debe encontrar un artefacto antiterrorista que ha sido robado, además de localizar al culpable. Por si fuera poco, el caso llevará a Hetty a reencontrarse con alguien del pasado.

Kensi se infiltra como nutricionista en un centro de rehabilitación mientras que Deeks se hace pasar como paciente. De esta manera pretenden investigar la muerte de un oficial naval.

Callen y Sam contar con la ayuda de un Gurkha, un soldado nepalés de élite especializado en la lucha con cuchillo, para recuperar una unidad flashque falta. Mientras tanto, Kensi y Deeks luchan por encontrar un equilibrio en su relación.

Cuando un antiguo líder comunista rumano y sospechoso criminal de guerra es descubierto en Los Angeles bajo una falsa identidad, el equipo de NCIS: LA debe localizarlo antes de que desaparezca otra vez.

El equipo de NCIS: LA busca un motivo cuando la hija de un senador es atacada. Mientras, Deeks y Nell se juntan para ayudar a Sam y Callen a llevar a la hija a un lugar seguro.

En Afganistán, Kensi y Granger se unen al equipo en un caso conjunto cuando un agente federal en Los Angeles es asesinado.

La investigación por la muerte de dos militares provoca que uno de los miembros del equipo se ponga en grave peligro. Mientras tanto, Sam decide montar una cita a ciegas para Callen.

Callen y Sam buscan un sospechoso de asesinato - un asesino retirado que encontraron en su primer caso juntos.

Después de una explosión en un mercado de pescado, el equipo NCIS: LA se junta con un agente encubierto de la DEA para determinar si el incidente es un acto terrorista o un trato de traficantes que ha salido mal.

Cuando un agente encubierto es identificado y ejecutado por una banda local, el equipo NCIS: LA debe localizar el topo antes de que las vidas de otros agentes sean puestas en peligro.

El equipo NCIS: LA debe determinar si el sistema informático que controla los misiles rusos está en riesgo después de que Eric se entere de que un amigo suyo experto en sistemas informáticos fuera atacado.

Al descubrir que la agente especial Kensi Blye desapareció y los talibanes pueden estar reteniéndola, Hetty envía el equipo NCIS: LA a Afganistán en misión de rescate.

Cuando el equipo de NCIS: LA investiga un caso de un ex-marine que está siendo localizado por miembros de Al-Qaeda por haber malversado dinero de Iraq, Hetty le asigna Nell a Deeks para el trabajo de campo.

El equipo custodia a un agente encubierto, que es sospechoso de trabajar para el traficante al que se supone que está investigando.

Sam está convencido de que el robo de software para un nuevo vehículo aéreo no tripulado está relacionado con la desaparición de la hija de 10 años de un ingeniero jefe, una chica que Sam preotegió una vez en Arabia Saudita.

Cuando una periodista denuncia el grupo responsable de la explosión mortal en un evento de caridad patrocinado por los militares, el equipo debe investigar sus acusaciones y buscar el atacante.

Cuando el equipo NCIS y la DEA descubres los planes del cártel para pasar millones de dólares en cocaína desde Colombia utilizando un submarino, Callen y Sam deben localizar la embarcación desaparecida.