Lorsqu'un bombardier russe disparaît des radars en territoire américain, Callen et Sam doivent le retrouver pour s'emparer des armes et informations qu'il contient avant qu'il ne soit détruit. Hetty confie à Nell une mission plutôt cryptique.

Alors que débute le procès du premier maître arrêté l'année précédente par Callen et Sam pour crimes de guerre, l'équipe du NCIS doit retrouver le témoin clé.

Nell et Sam rencontrent un informateur qui compte révéler un secret militaire, mais ce dernier essaie de renverser Sam pour le tuer. De leur côté, Kensi et Deeks discutent de la possibilité d'acheter leur première maison.

Au beau milieu d'un braquage, les voleurs découvrent le corps d'un réserviste de la marine. Le NCIS doit alors coopérer avec eux pour retrouver le coupable.

Pour obtenir des informations sur une affaire de sécurité nationale, Kensi doit affronter un sociopathe obsédé par elle depuis qu'elle l'a mis en prison.

Avant Noël, Hetty confie à Callen l'enquête sur son ancien frère adoptif et sa femme qui, depuis son retour sur le sol américain, est accusée d'avoir introduit clandestinement de la drogue dans ses bouteilles d'oxygène.

L'enquête sur le meurtre d'un homme qui vendait des renseignements militaires mène à l'enlèvement d'un docteur dont la technologie neurologique de pointe pourrait servir d'arme.

Quand l'équipe enquête sur le meurtre d'un homme qui s'apprêtait à révéler la source d'une immense opération de contrefaçon, une vieille connaissance devient le principal suspect et révèle la véritable raison de son retour.

Tandis que le NCIS traque le chef d'un réseau criminel qui tente d'acheter une technologie militaire volée, Callen se prépare à poser la grande question à Anna.

Sam fait tout pour retrouver Kam, sa fille enlevée après avoir organisé une manifestation dans toute la ville. Deeks rejoint le NCIS et Callen cherche des réponses concernant Anna.

Lorsque Callen se rend au Centre national de lutte contre le terrorisme sous prétexte d'interroger un Russe arrêté des mois auparavant lors d'une enquête, la situation tourne en sa défaveur et il se retrouve accusé d'être un agent russe.

Nell empêche Callen de savoir si l'équipe a retrouvé Katya, ce dernier remonte alors la piste de la personne qui le suit jusqu'à un lieu fréquenté par des Russes... et tombe sur Anna.

Pour sauver Joelle qui est torturée par les Russes, Callen et le NCIS doivent attirer Katya en se servant d'Anna comme appât.

Callen et l'équipe découvrent qu'Anna est retenue par un groupe lié à son enfance. Ils doivent alors la sauver avant qu'elle ne soit ramenée de force en Russie.

Le NCIS met la main sur un disque dur contenant une vidéo trafiquée, mais très crédible, d'un terroriste mort et doit récupérer la technologie qui a mené à sa création.

Une ingénieure sourde qui a toujours voulu servir son pays est la seule rescapée du vol d'une technologie militaire. Elle aide alors Kensi et le NCIS à retrouver l'objet du larcin avant qu'il ne soit sorti du pays.

Lorsqu'un officier du renseignement naval est torturé puis assassiné, le NCIS doit collaborer avec Joelle, qui les informe que des agents de la CIA ont été tués de la même manière.

Deeks est enlevé par un associé de Kirkin qui réclame son aide, et le NCIS enquête sur un dauphin militarisé et équipé d'une micropuce russe qui a été pris pour cible. Beale fait une offre intéressante à Nell et Hetty revient.