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.

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.

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, acude a Los Angeles 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.

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 Angeles. 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.

Los efectivos del NCIS investigan el asesinato de un oficial de la Marina durante un tiroteo contra unos narcotraficantes.

Henrietta Lange decide viajar a Europa Central para rescatar a varios efectivos de la Oficina de Proyectos Especiales, que se encuentran en una difícil situación durante una misión en Rumanía. Durante su estancia en el país europeo, la directora de Operaciones del NCIS es herida por un grupo enemigo. Conscientes de que la vida de su jefa corre serio peligro, el equipo vuela a Rumanía para localizar a Hetty y llevarla de regreso a Los Ángeles antes de que sea demasiado tarde. Mientras tanto, Callen descubre nuevos y sorprendentes datos sobre su pasado.

El equipo toma medidas para proteger a uno de los suyos mientras es interrogado por el Departamento de Justicia. Mientras tanto, Nell se hace pasar por Hetty, y el Director Leon Vance da a Hetty noticias inquietantes mientras se encuentra en Washington.