Lors d'un entraînement militaire, un objet volant radiocommandé transportant deux missiles est détourné de son objectif. Alors qu'un soldat a trouvé la mort dans l'opération, le drone reste introuvable. Informée par un contact de Hetty, l'équipe penche pour la thèse d'un détournement. Bientôt, une vidéo montrant le drone est retrouvée sur Internet. L'équipe va devoir trouver qui l'a mise en ligne...

L'équipe recherche une certaine A. Taylor, qui détiendrait une importante somme d'argent autrefois dérobée à des opposants iraniens. Ces derniers sont bien décidés, eux aussi, à la retrouver. L'agent de la CIA Trent Kort est également à ses trousses. Callen, retiré de l'affaire par Hetty, mène l'enquête de son côté : A. Taylor semble en effet liée à son passé. Les trajectoires des poursuivants se croisent...

Le NCIS de Los Angeles recherche le meurtrier d'un Marine, dont le corps, amputé d'une main, a été retrouvé dans un parking de Beverly Hills. L'équipe relie sa mort à sa récente mission en Irak, avant de s'interroger sur le mystérieux contenu de la mallette qui lui a été sauvagement dérobée...

Après la mort d’un ex-agent de l’Est et l’arrestation d’un agent double, Hetty pensait que la course entre les agences internationales pour retrouver le livre noir de l’antiquaire était terminée. Or, la traque continue et des agents russes prennent Kensi en otage.

Des documents confidentiels du Pentagone, relatifs aux opérations militaires menées par les Américains en Irak et en Afghanistan, sont mis en ligne sur un blog. Le NCIS est chargé d'intervenir avant que les secrets de l'armée ne soit divulgés au public. Mais le responsable du site est retrouvé mort, visiblement torturé par ses agresseurs. L'équipe comprend que des criminels sont déterminés à mettre la main sur la personne qui a fourni les documents à l'auteur du blog. Callen propose de tendre un piège afin de capturer le responsable des fuites. Sam, qui sert d'appât, a la surprise d'être bientôt abordé par une jeune femme, Jennifer Weincroft...

Sous une fausse idéntité, Sam se rend au Yémen avec Callen. Ils doivent secourir le fils d'un prince qui a été enlevé par Abdul Habaza, le leader d'un groupe de terroristes que Sam connaît bien et dont il feint d'endosser la cause. Sur place, ils ont la surprise de retrouver Nate Getz, chargé de leur prêter main forte. Grâce à la relation de confiance qu'il a établie avec Abdul, Sam réussit à approcher l'enfant.

Callen, Sam, Kensi et Marty arrivent en Roumanie où ils espèrent pouvoir retrouver Hetty. Sur place, Callen se remémore des scènes de son enfance, notamment lorsque sa mère s'est fait tuer sur une plage. Persuadé qu'il se trouve dans sa région natale, l'agent ignore que Hetty en sait plus que lui sur son passé. Retenue prisonnière par Alexa Comescu, elle parvient à lui soutirer des informations capitales.

Le NCIS est sollicité pour résoudre le meurtre d'un comptable japonais sur un quai de métro. L'assassin a été identifié comme étant Connor Maslin, un ancien marine suspendu de ses fonctions après avoir été accusé d'avoir abusé une femme au Japon. Lorsque Callen l'interroge, Maslin lui tient un tout autre discours. Il prétend que la jeune femme qu'il a prétendument violée est sa petite amie et qu'elle fuit son père.

L'équipe est chargée d'enquêter sur la mort d'un chercheur rattaché au département de la défense. Tout porte à croire qu'il s'agit d'un suicide. Cette affaire survient alors qu'un nouveau directeur adjoint est nommé au sein du NCIS. Il s'agit d'Owen Granger et ses manières inhabituelles ont vite fait d'agacer Callen. D'autant plus que Granger remet clairement en cause les capacités d'Hetty à encadrer l'équipe.

Dans un avion sur le point de se poser à Los Angeles, une jeune femme est retrouvée morte dans les toilettes de l'appareil. Elle rejette du sang par les yeux et par les narines. Elle accompagnait un trafiquant en possession de fioles de variole. Callen et Sam, accompagnés par Danny Williams et Chin Ho Kelly de la police fédérale d'Hawaii, arrivent trop tard à l'aéroport de Los Angeles pour intercepter le trafiquant.

Alors qu'Eric jouait en ligne avec un de ses amis, ce dernier se tirer dessus dans son appartement. Tout porte à croire qu'il a été la cible d'un sniper. La victime, Ira Wells, est un spécialiste des failles informatiques et travaille principalement pour le département de la défense. Sam et Callen le retrouvent rapidement. De son côté, Granger poursuit ses recherches et retrouve le téléphone portable de Kensi loin du campement.

Le Département du Trésor américain a subi une attaque informatique sans précédent. Nell et Eric tentent d'enquêter. Sous couverture, ils tentent de suivre un homme et une femme suspects et se retrouvent dans une retraite pour couples.

Après des mois de planification, le mariage de Kensi et Deeks a enfin lieu. Une vieille connaissance, Anatoli Kirkin, fait une visite surprise à Deeks et il n’est pas seul...

L'équipe du NCIS collabore avec le DOJ sur une enquête autour d'un pyromane qui vise le refuge du FBI protégeant un militant politique en quête d’asile. De son côté, Eric traite les conséquences du départ de Nell sur l'équipe...