Los efectivos del NCIS investigan el asesinato de un oficial de la Marina durante un tiroteo contra unos narcotraficantes. Los primeros indicios apuntan a que el militar fue tomado como rehén, hasta que Callen y Sam descubren que la víctima, tras ser secuestrada, utilizó sus conocimientos para enviar vía satélite varias fotos de alto secreto sobre una campaña antidroga a un capo del narcotráfico, situación que cuestiona su lealtad al ejército de los Estados Unidos. Una investigación posterior revela que el oficial se vio obligado a prestar su colaboración, ya que los criminales habían secuestrado a su sobrina.

Tres miembros del SEAL enmascarados irrumpen en una operación de venta de droga robando el dinero del narcotráfico, acción que concluye trágicamente con la muerte de dos inocentes, entre ellos un agente de policía encubierto. Tras visionar la cinta de las cámaras de seguridad, Sam descubre que uno de los ladrones es un antiguo compañero del SEAL, por lo que se centra en la búsqueda de los otros dos asaltantes y de pruebas incriminatorias con las que condenarles.

Liderados por Sam y Callen, los efectivos de la Oficina de Proyectos Especiales trabajan contrarreloj en un nuevo caso: el robo de un convoy que transportaba un misil armado a un nuevo emplazamiento. Tras realizar las primeras investigaciones, los agentes descubren que el conductor del camión es un extremista islámico que trabaja en una empresa de informática. Cuando las fuerzas de seguridad localizan al sospechoso, éste se suicida. Poco después, los expertos del NCIS descubren que un vídeo del robo del misil se ha enviado desde una de las aulas de la Universidad. Kensi decide entonces infiltrarse en el campus para descubrir a los responsables del robo.

Sam y Callen se embarcan en una nueva misión: localizar y capturar a Walton Flynn, empleado de la empresa de seguridad privada Citdential quien tras volverse loco en Irak, asesinó al importante hombre de negocios iraquí al que estaba protegiendo. Poco después, los efectivos de la Oficina de Proyectos Especiales descubren que el escolta ha pedido ayuda a una compañera del instituto de la que está enamorado, por lo que los agentes se infiltran en su entorno para descubrir la razón por la que quitó la vida a su protegido.

Un francotirador asesina en la playa a un científico asignado al DARPA, un proyecto militar de alto secreto, por lo que el NCIS decide investigar el caso. Poco después, Sam y Callen descubren en una oficina el cuerpo sin vida del socio de la víctima tras ser brutalmente golpeado. Los expertos en infiltración comparan las evidencias de ambos crímenes cuando Leon Vance les informa que el responsable es Lee Wuan Kai, una asesina profesional que estuvo a punto de acabar con su vida hace unos años. La investigación da un giro inesperado cuando la sospechosa llama a Vance para informarle que ella no mató al socio del científico.

Los efectivos del NCIS abren una nueva investigación cuando un marine, Brandon Valdivia, es arrojado desde la azotea de un moderno hotel. Tras estudiar el historial financiero de la víctima, Kensi y Dom constatan que el fallecido y su empleado, Alex Walter, participaron en una operación de falsificación de dinero. Natalie Giordano, agente del Servicio Secreto, informa a los expertos en infiltración que este caso está relacionado con una red de falsificación a la que está investigando. Posteriormente, los miembros de la Oficina de Proyectos Especiales localizan a Walter, quien afirma que él y Valdivia falsificaban billetes con unas planchas que encontraron cuando estuvieron destacados en Bagdad.

A raíz del misterioso asesinato de una ciudadana rusa, los efectivos de la Oficina de Proyectos Especiales localizan nuevas evidencias que les permiten descubrir los motivos y la identidad de quien intentó matar a Callen hace seis meses en el transcurso de una misión.

Mientras Hetty viaja a Washington para participar en una sesión del Senado, los expertos en infiltración investigan el asesinato del marine Lance Corporal. Tras llevar a cabo las primeras indagaciones, los agentes del NCIS descubren que la muerte del militar norteamericano guarda relación con el robo de cuatro misiles anti-tanque perpetrado por una peligrosa milicia. Callen, pro su parte, decide infiltrarse para recabar información sobre la localización.

Mientras investigan el extraño asesinato de un importante ingeniero naval, Sam y Callen reciben una ayuda inesperada: Abby Sciuto, una experta forense del NCIS -personaje interpretado por Paula Perrette ("NCIS: Naval Criminal Investigative Service", "Satan Hates You", "Time of Your Life")-, acude a Los Ángeles para prestar su ayuda en el esclarecimiento del crimen. La joven está convencida de que el homicidio guarda relación con el modus operandi de "Fantasma", un asesino en serie que nunca deja pruebas en el escenario del crimen y a quien ella ha estado investigando.

Mientras Hetty decora la oficina con los adornos navideños, Callen y los demás efectivos del NCIS investigan la muerte de un marine, víctima de una atentado con teléfono móvil. A medida que avanzan las pesquisas del caso, los expertos en infiltración descubren que el fallecido y tres compañeros pertenecían a la EOD, una unidad especializada en explosivos destacada en Irak. Los expertos en infiltración trabajan contra reloj para evitar que una nueva explosión acabe con la vida de otro marine.

Tras un pequeño altercado en un local de striptease, un joven de color empotra su camión contra el club arrollando a un oficial de la Marina. Poco después, los efectivos del NCIS descubren que el conductor del camión es un refugiado sudanés. Caracterizado como un adolescente llamado Moe, Sam decide recabar nueva información sobre el principal sospechoso del caso y del hombre que le acompañaba. Mientras tanto, Hetty, la directora de Operaciones del NCIS, se preocupa por el efecto que la sobrecarga de trabajo pueda estar teniendo en el equipo.

El asesinato de un taxista horas después de que enviara un correo electrónico a un viejo alias de Callen obliga a los expertos en infiltración a reabrir un viejo caso. Hace cuatro años, Callen se hizo pasar por un policía militar corrupto para descubrir la identidad de tres marines que robaron cinco millones de dólares. A pesar del éxito de la operación, no logró recuperar el dinero robado. El agente decide infiltrarse nuevamente en solitario mientras sus compañeros de la Oficina de Proyectos Especiales siguen sus pasos desde la sede del NCIS.

Mientras se encuentran reunidos, los agentes del NCIS reciben un aviso urgente de Dominic pidiendo ayuda. Tras localizar la ubicación exacta del coche de su compañero gracias al GPS del vehículo, acuden al lugar donde la policía local examina el escenario. Aunque los expertos en infiltración constatan la presencia de restos sanguíneos en el automóvil, están convencidos de que Vail permanece aún con vida. Callen lidera la investigación del secuestro de su compañero, búsqueda en la que se vuelcan todos los efectivos de la Oficina de Proyectos Especiales.

5 cadáveres son encontrados al interior de un almacén. De ellos, 2 aparentemente pertenecen a oficiales de la Marina; lo cual atrae la atención del equipo NCIS. Estos supuestos oficiales de la Marina estaban vestidos con uniformes auténticos; pero, no eran realmente de la Marina. Ante esto, el equipo NCIS se dedica a vigilar la investigación para descartar una conexión no militar. Sin embargo, cuando se determina que la causa de muerte fue por envenenamiento con toxina botulínica, el equipo se hace cargo del caso; ya que se trata de un neurotóxico moral y un arma biológica. Sam y Callen siguen adelante con su primera pista, una mujer de avanzada edad que sufre de Alzheimer. Resulta que fue una químico militar y fue contactada por las personas que ella pensó eran oficiales de la Marina para ayudarlos a aislar, purificar y convertir la toxina en un arma.

Un grupo terrorista islámico roba en Irak un camión con cinco millones de dólares en efectivo, por lo que los agentes del NCIS emprenden la búsqueda del dinero para devolverlo a los Estados Unidos. Posteriormente, los miembros de la Oficina de Proyectos Especiales descubren que el dinero ha sido robado para que un atracador a sueldo perpetre un robo en una entidad bancaria local. Cuando tres hombres armados entran en el banco, la agente Kensi Blye les hace frente recibiendo un disparo durante el atraco.

La Oficina de Proyectos Especiales abre una nueva investigación a raíz del suicidio del teniente Calvin Lee. Tras visionar el vídeo de las cámaras de tráfico del lugar del suceso, los agentes descubren que el militar se encontraba solo en el momento del incidente. Tras investigar el entorno familiar de la víctima, los efectivos del NCIS descubren que sus padres emigraron a Estados Unidos para huir de la férrea ley china del hijo único. La investigación da un giro inesperado cuando Sam y Callen constatan poco después que la pareja sentimental del militar ha sido asesinada.

James Rush, un joven oficial de la Marina, fallece cuando el automóvil que conduce hace explosión mientras participaba en una carrera ilegal. Las primeras pesquisas apuntan a que el vehículo fue saboteado. Poco después, los agentes del NCIS corroboran que el principal rival de Rush era su ex-novia y que el militar había robado dos sofisticados sistemas de batería de litio de su unidad días antes de la celebración de la carrera.

Cuando Wendall Dobbs, sargento de artillería de la Marina, es asesinado tras ser tiroteado por una banda callejera armada con fusiles AK-47, los miembros del NCIS sospechan que el militar fallecido podía estar involucrado en una trama de importación ilegal de armas automáticas. Las primeras indagaciones revelan que desde su privilegiado puesto administrativo, Dobbs llevó a cabo extrañas transacciones para proteger a Darryl, su hermano menor vinculado a una banda callejera. Poco después, Callen se infiltra en el peligroso grupo fingiendo ser el primo de Darryl con un único objetivo en mente: desarticular la red de tráfico de armas.

Tras el hallazgo del cuerpo sin vida y ensangrentado del marine Daniel Zuna, los efectivos de la Oficina de Proyectos Especiales investigan la vinculación de esta muerte con un gimnasio de artes marciales al que acudía el militar en su tiempo libre. Haciéndose pasar por la novia de Zuna, Kensi constata que muchos de los jóvenes que se entrenan en el gimnasio son marines que combatieron en la localidad iraquí de Zuna y sospecha que su muerte parece guardar relación con algo que sucedió allí. Paralelamente, Sam logra formar parte del grupo de luchadores del centro deportivo.

Un teniente de la Marina fallece tras caer a un precipicio en su coche en Mulholland Boulevard. El examen preliminar del cuerpo revela que el militar recibió un disparo antes de que el automóvil en el que viajaba se estrellara, vehículo perteneciente a Aubrey Dava, la famosa hija de un importante empresario inmobiliario. Los agentes del NCIS deciden acudir a la residencia de la familia Dava en busca de respuestas y tras contactar con Aubrey, descubren que la joven estuvo con el militar horas antes de que él desapareciera en mitad de la noche.

Tras la misteriosa desaparición del agente Dominic Vail, los agentes del NCIS cuentan con una primera pista que podría ayudarles a localizar el paradero de su compañero, secuestrado hace varios meses por un peligroso grupo terrorista. La recepción de un vídeo con imágenes de Vail enviado a la Oficina de Proyectos Especiales desde una página web vinculada a la Jidhad lleva a los agentes a estrechar el cerco a este grupo extremista islámico con un único fin: recabar información que les permita liberar a Vail.

El ataque a un avión privado inmediatamente después de su aterrizaje resulta ser una acción terrorista planeada para liberar a Ala A Din Keshwar, peligroso terrorista que se encontraba bajo la custodia de la Marina durante su traslado a Los Ángeles. Los miembros de la Oficina de Proyectos Especiales se involucran de lleno en el caso, dado que Keshwar era la persona que exigían los captores de Dominic a cambio de la libertad del agente del NCIS. Sam y Callen inician un carrera contrarreloj para evitar que el terrorista fugado huya del país.

La labor de Callen se ve amenazada cuando Eugene Keelson, un misterioso informador, asegura al agente que posee numerosos datos sobre su pasado. Para hacerse con la preciada información, Callen tendrá que entregar un disco a un grupo de búlgaros. El agente lleva a cabo dicho cometido pero los búlgaros intentan matarlo ya que creen que él es Keelson. Posteriormente, Eugene envía un potente virus informático que infecta todos los archivos de Callen y que amenaza el sistema de comunicaciones del NCIS.

Callen se enfrenta a un implacable adversario en su cruzada por encontrar a una mujer que asegura conocer la localización exacta de una fabulosa fortuna destinada a la financiación de una nuevo conflicto bélico en Oriente Medio. Otra de las razones por la que el agente del NCIS desea contactar con la misteriosa mujer es para descubrir aspectos desconocidos de su pasado.