Callen soupçonne Hetty de lui cacher des secrets concernant son passé. Joelle continue quant à elle ses tentatives de capturer Katya Miranova. Pendant ce temps, le NCIS doit retrouver un informateur dont la vie est en danger...

En revenant de la pêche, le sous-lieutenant Craig Tanaka est attaqué par l'arrière, alors qu'il se trouve à côté de son véhicule. L'amiral Kilbride demande à l'équipe d'enquêter sur cette agression, qui touche tout le monde...

Des membres de l'ATF sont tombés dans un terrible guet-apens au cours duquel sept agents ont été froidement abattus, notamment l'agent spécial Francisco Reyes, un ami de longue date de Callen et Sam. Ils enquêtaient sur un gang de trafiquants d'armes allemands, mené par un certain Lukas Meyer. Une véritable course contre la montre commence pour le retrouver...

Callen continue de pourchasser Katya. Kilbride, de son côté, fait appel au NCIS pour tenter de retrouver un camion d'armes volées. L'affaire, somme toute classique, se complique brutalement lorsque leur principal suspect, le fils d'un patron de la mafia qu'ils croyaient être le revendeur, est retrouvé mort. Il leur faut immédiatement changer leur fusil d'épaule...

Une mission de l'agent infiltré Laura Song, chargée de collecter des informations sur la flotte chinoise, tourne mal et son identité est comprise. Afin de pouvoir déterminer ce qu'il s'est réellement passé, les membres du NCIS qui participaient à l'opération sont interrogés les uns après les autres, et Killbride doit prendre une décision difficile...

Sam devient négociateur. Roundtree opère sous couverture lorsqu'un homme, Gary DeMayo, prend en otage un bus avec de nombreux passagers à bord. Il menace de le faire exploser si l'honneur de sa fille, le caporal Kyra DeMayo, n'est pas lavé. La jeune femme a été révoquée de l'armée sans les honneurs...

L'équipe de NCIS enquête sur l'apparent suicide d'un officier du renseignement de la Navy qui a sauté dans le vide après avoir pris du LSD. Par ailleurs, profitant de l'absence de Kensi, Deeks réorganise le jardin et la cour arrière sans lui en parler...

Le NCIS se démène pour retrouver Kensi lorsqu'elle est attaquée et enlevée par une mystérieuse milice alors qu'elle aidait un groupe de migrants à traverser la frontière. Aliyah de Leon rejoint l'enquête pour tenter de la faire avancer le plus rapidement possible. De son côté, Kensi se lie avec une adolescente...

Les membres du NCIS doivent retrouver Gia Michele, fille d'une ambassadrice et puissante influenceuse sur les réseaux, qui a disparu. L'agent Aliyah De Leon revient pour aider l'équipe dans cette enquête. Gia poste un message indiquant qu'elle a été enlevée et demande à sa communauté de réunir la rançon exigée...

Une scientifique civile travaillant avec la Navy est assassinée, et la technologie de radar de pointe qu'elle a mise au point est volée. L'équipe doit se démener pour la récupérer et identifier le tueur. Un groupe de nationalistes, qui aurait agit pour le compte du gouvernement chinois, fait rapidement figure de suspect principal...

Un nouveau-né abandonné à bord d'un vaisseau amène Kensi et Deeks à embarquer pour retrouver la mère. Nate découvre un projet de la CIA impliquant des enfants.

Le NCIS enquête sur le crash d'un avion non-identifié sur un avion de la Navy dans l'espace aérien américain. De leur côté, Deeks et Kensi se préparent pour leur inspection comme famille d'accueil.

Le meurtre de Scott Reid, le partenaire de Lance Hamilton, amène Sam à reprendre l'identité de Switch, sa couverture quand il est en infiltration, afin d'identifier le coupable. Kensi, Deeks, Roundtree et Kilbride collaborent pour arrêter un ingénieur dans l'aérospatial qui a volé des documents confidentiels...

Des cambrioleurs font main basse sur des oeuvres d'art stockées dans un entrepôt dernier cri. Le NCIS se saisit de l'affaire car les lieux devaient prochainement être perquisitionnés car Katya Miranova y conserve de précieux documents...

Alors que Devin Roundtree raccompagne sa soeur Jordyn en cours, ils sont victimes d'un délit de faciès et injustement arrêtés par deux policiers blancs. Le NCIS enquête sur la mort d'Andrea Bishop, une photographe de la Marine chargée de suivre la construction d'une nouvelle installation de défense.

Conscients des difficultés récentes rencontrées par Roundree et Callen, l'amiral propose à son équipe de rencontrer le psychologue Nate Getz. Le NCIS est par ailleurs chargé de l'enquête sur l'enlèvement de Boomer, un chien ayant travaillé pour la police et l'armée. Sam envisage de vendre son bateau pour pouvoir prendre soin de son père, atteint de la maladie d'Alzheimer...

Toujours en quête d'informations sur son passé, Callen s'éloigne peu à peu d'Anna. Accusé de harcèlement à cause des manigances de Katya, il est provisoirement mis sur la touche. Callen fait équipe avec Nate Getz pour retrouver un homme qui pourrait le renseigner sur sa jeunesse. Le NCIS tente de retrouver Maria Varza, une professeure qui a disparu...

Avec l'aide de Sabatino, le NCIS enquête sur la mort du quartier-maître Nikki Lee, qui travaillait sur un programme antimissile dernière génération qui intéresserait les Libyens. Tandis que Callen est toujours sur la touche, Deeks reçoit une nouvelle visite de miss King, la travailleuse sociale...

Le NCIS collabore avec l'agent Talia Del Campo pour retrouver un lanceur d'alerte sur le point de témoigner contre des fabricants d'armes fournissant les cartels de la drogue. Eric Beal fait parvenir un chèque à tous les membres de l'équipe...

Deux hommes se font sauter avec leur propre explosif dans une base militaire. Le NCIS doit mener l'enquête mais tout le monde est absent : Deeks et Kensi soutiennent Rosa, Callen veut demander la main d'Anna à Arkady, Sam emménage avec son père, et Fatima accompagne sa mère à un rendez-vous médical...

Callen reçoit un appel de Fatima et Sam, mais il s'agit en fait d'un piège tendu par Katya Miranova, qui chercher à l'attirer seul dans un bâtiment où le NCIS a une cachette. Lorsque Callen est enlevé par de prétendus pompiers, toute l'équipe, aidée par Joelle et Anna, se lance à sa recherche...

Après le braquage d'un casino avec un engin militaire, l'équipe mène l'enquête avec une trafiquante d'armes pour retrouver les auteurs. Côté vie privée, Kensi et Deeks sont ravis d'apprendre qu'ils vont pouvoir devenir les parents adoptifs de Rosa, et Callen fait un pas de géant dans sa relation avec Anna…