Mentre Sam e Deeks cercano di riprendersi dalle traumatiche torture subite, che avranno forti ripercussioni sulla loro vita personale e lavorativa, la squadra si mette alla ricerca di armi nucleari trafugate.

Nel tentativo di aiutare Sam e Deeks a tornare al lavoro, Hetty chiede aiuto a Nate Getz perché li aiuti a superare la loro esperienza drammatica. Nel frattempo, il resto della squadra indaga su un omicidio.

La squadra NCIS di Los Angeles deve scoprire chi ha rubato un progetto di vaccino top secret dai laboratori di una compagnia di alta tecnologia. Nel frattempo, Deeks ha dei problemi a riprendere la routine lavorativa.

La squadra NCIS si ritrova in grave pericolo mentre indaga sul caso del rapimento di un uomo che sostiene di essere il padre di Callen. Centesimo episodio della serie.

Nell Jones si unisce alla squadra per del lavoro sul campo quando la compagna di un ex ufficiale della marina viene rapita. I sequestratori chiedono come riscatto informazioni top secret.

Callen lavora sotto copertura all'interno di una prestigiosa scuola superiore, dopo che un hacker quindicenne compromette delle missioni terroristiche.

La squadra NCIS deve lavorare con la Homeland Security dopo che l'investigazione di un omicidio porta alla luce una possibile minaccia a bordo di un treno di Los Angeles.

Un dispositivo utilizzato nelle missioni contro il terrorismo viene rubato, e la squadra deve agire velocemente per trovare i responsabili e fermarli prima che possano utilizzarlo contro la città di Los Angeles.

Kensi inizia una missione sotto copertura come nutrizionista e Deeks fa finta di essere un paziente in un centro di riabilitazione per indagare sulla morte di un ufficiale della Marina.

La squadra chiede aiuto a un soldato specializzato in combattimento con i coltelli per ritrovare una chiavetta USB scomparsa. Nel frattempo, Kensi e Deeks hanno dei problemi a gestire la loro partnership.

Quando si scopre che un ex leader della Romania comunista sospettato per crimini di guerra potrebbe essere residente a Los Angeles sotto una falsa identità, la squadra NCIS deve trovarlo prima che fugga di nuovo.

La squadra cerca un movente quando la figlia di un senatore viene assalita. Nel frattempo, Deeks e Nell si uniscono per aiutare gli altri a portare la figlia al sicuro, mentre Kensi riceve il regalo di Natale perfetto.

In Afghanistan, Kensi e Granger si uniscono alla squadra per risolvere il caso dell'omicidio di un agente federale a Los Angeles, il quale sembra avere dei legami con l'Hawala, un antico sistema di trasferimento di denaro.

Sam e Callen partono per il Messico alla ricerca di Tuhon, un assassino in pensione che incontrarono nel loro primo caso in assoluto, ora sospettato dell'omicidio di un diplomatico. Intanto Nate e Deeks restano a Los Angeles per aiutarli nelle indagini.

In seguito a un'esplosione al mercato del pesce, l'NCIS di Los Angeles collabora con un agente sotto copertura della DEA per capire se l'incidente è un atto di terrorismo o di un affare di droga andato male. Nel frattempo, in Afghanistan, Granger e Kensi indagano su un incidente di elicottero che potrebbe essere legato alla loro ricerca in corso sul famigerato fantasma bianco.

Quando un agente sotto copertura è identificato e giustiziato da una banda locale, la squadra NCIS Los Angeles deve individuare la talpa prima la vita di altri agenti sia messa in pericolo. Nel frattempo, Granger comincia a preoccuparsi quando Kensi scompare in Afghanistan.

L'NCIS: LA team è chiamato a determinare se il sistema informatico che controlla i missili russi è a rischio dopo che Eric ha saputo che il suo amico, un esperto di sistemi informatici, è stato attaccato durante un gioco online. Nel frattempo, Kensi è scioccata quando un volto noto del suo passato si presenta in Afghanistan.

Dopo aver saputo della scomparsa dell'agente speciale Kensi Blye e che forse i talebani la tengono prigioniera, Hetty invia la squadra NCIS: LA in Afghanistan in una missione di salvataggio.

Quando un agente sotto copertura NCIS è sospettato di lavorare per il contrabbandiere su cui doveva indagare, la squadra lo prende in custodia per trovare le sue vere intenzioni.

Sam è convinto che il furto di software per un nuovo veicolo aereo senza equipaggio sia collegato alla scomparsa della figlia di 10 anni del capo ingegnere.

Quando un servizio giornalistico annuncia l'esplosione ad un evento di beneficenza patrocinato dai militari, la squadra deve indagare.