La mort d'un sous-marinier américain lors d'une cérémonie AUKUS à Sydney fait l'objet d'une enquête menée conjointement par les agents du NCIS en mer et la police fédérale australienne, et le NCIS: SYDNEY est né.

Lorsqu'un officier de conformité de la marine est retrouvé mort dans un trou d'eau, l'enquête de l'équipe met à jour un réseau complexe de trafiquants, tout en gérant les problèmes initiaux du nouveau lieu de travail... et un cacatoès qui parle.

Lorsqu'un requin recrache le bras d'un ancien Navy SEAL, l'enquête de l'équipe met à l'épreuve la loyauté d'une bande d'anciens plongeurs de la marine et met à jour un sombre complot de surveillance qui pourrait avoir des liens avec l'un des Alliés.

Le corps d'un marine américain est retrouvé dans le quartier historique des Rocks à Sydney. Une vieille médaille de la Croix de la Marine constitue l'indice pour résoudre le meurtre, menant l'équipe dans une chasse aux fantômes pour attraper le tueur.

L'équipe se précipite pour sauver l'un des leurs, lorsque Doc Roy et son chien sont impliqués dans une prise d'otages dans leur café canin local.

Un homme portant une veste de l'armée américaine est retrouvé mort dans un bus, après avoir été poursuivi par deux hommes à l'allure suspecte. Lorsque l'équipe arrive sur place, Evie reconnait la victime et se retrouve embarquée malgré elle dans une sombre affaire de drogue.

Lorsqu'un chercheur de la marine américaine est retrouvé mort dans un bunker souterrain secret lors d'un lancement technologique prestigieux, une partie de l'équipe se rend sur place pour enquêter.

Le fils de JD est kidnappé par un assassin international en échange d'un criminel recherché détenu par le NCIS.