G. Callen e Sam Hanna sono tenuti in ostaggio in un sottomarino con i terroristi che stanno progettando un attacco su una portaerei vicino a San Diego, in California. Henrietta decide di annullare il suo viaggio a Washington DC. I restanti membri del team cercano di trovare il sottomarino.

Quando indaga sull'omicidio di un imprenditore della Marina coinvolto in operazioni illegali di dati riservati, l'NCIS: LA scopre che un membro della squadra è compromesso. Nel frattempo, Hetty è sotto inchiesta a Washington DC.

L'NCIS interviene per proteggere uno di loro mentre viene interrogato dal Dipartimento di Giustizia. Nel frattempo, Nell va sotto copertura insieme a Hetty e il direttore Leon Vance dà a Hetty una notizia inquietante.

La squadra si trova in pericolo quando la talpa rimane all'interno dell'agenzia. Nate torna per aiutare Nell ad affrontare le conseguenze della sua prima uccisione. Il centro OSP stesso si trasforma in un campo di battaglia quando Matthias cerca di uccidere Hetty.

Callen e Sam si dirigono in Messico per rintracciare l'unico dipendente che è riuscito a sfuggire a una sparatoria presso il Dipartimento della Difesa. Nel frattempo, il resto del team lavora per scoprire il perché dietro la sparatoria.

Quando Sam viene arrestato per l'omicidio di una donna, Callen e Granger lavorano per proteggere il suo nome. Nel frattempo, Kensi e Deeks scoprono un legame tra la vittima e uno studente del passato di Sam.

Quando un uomo viene ucciso da un piccolo drone, la squadra scopre il suo collegamento a un gruppo terroristico che sta progettando un altro attacco locale. Mentre il tempo stringe, Nell deve utilizzare la sua esperienza per cercare di evitare un disastro a Long Beach.

Kensi e Deeks indagano sull'omicidio di un uomo senza fissa dimora, un ex marine e agente della CIA. La vittima aveva collegamenti con il cartello messicano.

Granger viene avvelenato e Eric diventa ben presto uno dei sette sospettati per l'avvelenamento. Hetty ordina un blocco delle operazioni mentre tutti i membri della squadra finiscono sotto accusa.

Sam riflette sulla sua educazione e sul rapporto con suo padre. Nel frattempo, la squadra indaga sugli omicidi di alcuni marine che hanno figli iscritti in accademie militari.

La squadra indaga su un furto con scasso in una società di sicurezza informatica, ma Callen deve muoversi con i piedi di piombo, perché Hetty ha rivelato che la sua ragazza, Joelle, è uno dei testimoni chiave.

Mentre Callen è sotto copertura in un edificio per indagare su un trafficante d'armi, viene preso dai terroristi e diventa un ostaggio. Quando la squadra arriva in suo aiuto, scopre che l'intero edificio è pieno di esplosivi pronti a saltare.

Dopo che l'ambasciatore statunitense Nancy Kelly riesce a scampare un attacco terroristico al consolato americano in Tunisia, Callen e Sam sono inviati in missione per indagare sul crimine. Nel frattempo, il team cerca l'aiuto di Kelly per ottenere le informazioni mancanti.

Callen e Sam vanno sotto copertura come proprietari di un camion di cibo in Messico per trovare la fonte di un avvelenamento di antrace, prima che quest'ultima venga utilizzata per creare un'arma biologica.

Callen e Sam vengono rapiti dopo aver seguito una segnalazione anonima di un agente NSA disperso. Quando la squadra scopre che i due sono introvabili, si rende conto che il tutto potrebbe essere una trappola tesa dai terroristi.

Durante una missione che vede Callen e Sam tentare di arrestare una spia sotto contratto con la CIA, Sam viene ferito e il team chiede l'aiuto di Thapa, un soldato nepalese d'élite. Nel frattempo, Kensi e Deeks hanno il loro primo litigio ufficiale.

Mentre la squadra indaga sulla morte di un soldato afghano che si stava addestrando in USA, scopre che altri due soldati mancano all'appello; deve quindi trovarli prima che siano costretti a rivelare le operazioni militari ai loro rapitori. Nel frattempo Sam è tornato al lavoro, ma la sua squadra teme che sia troppo presto.

Quando tre agenti dell'FBI vengono uccisi in un'esplosione a seguito di una operazione di successo sotto copertura, la squadra va alla ricerca del responsabile dell'attacco. Nel frattempo, durante l'inchiesta, Deeks e Kensi informano la squadra sulla loro relazione.

Un test missilistico subisce un sabotaggio. Per svolgere le indagini, il team chiede l'aiuto di un giovane specialista di computer, Hetty. Intanto Nell si accorge del legame tra il guru della tecnologia e Eric e diventa gelosa.

Callen e Sam riprendono la propria identità sotto copertura come prigionieri e si infiltrano in un gruppo suprematista bianco che si ritiene sia in possesso di materiale nucleare rubato. Kensi si trasforma in una motociclista tatuato per fare la parte della fidanzata di Callen. Primo incontro di Callen con Hetty.

Callen e Sam sono scioccati quando una vecchia conoscenza, che credevano vittima di un omicidio, appare loro davanti chiedendo aiuto. Durante le indagini, la squadra scopre una probabile violazione delle sanzioni economiche americane contro la Russia.

Il team è alla ricerca di un ex marine fuggito da un ospedale e scopre un collegamento con il leader di un gruppo estremista. Il caso ricorda a Kensi il suo passato.

Callen e Sam trovano i membri dell'equipaggio della petroliera dispersa utilizzata nell'accordo di Arkady con la Russia e scoprono i legami di Arkady con la nave.