Callen si imbarca in un progetto segreto, lasciando Sam e tutto il team all'oscuro. Quando Hetty richiede che la sua operazione sia chiusa, la squadra ha il compito di trovare Callen prima che si ritrovi nei guai fino al collo.

L'agente della DEA Talia Del Campo si rivolge all'NCIS Los Angeles per un aiuto dopo che il suo compagno è stato ucciso. Kensi sospetta che Deeks le stia nascondendo qualcosa; a sorprende presentandole sua madre.

La squadra NCIS di Los Angeles indaga sul massacro di un ventenne peruviano; una famosa modella è ora un potenziale bersaglio, dunque Kensi va sotto copertura come suo assistente insieme a Deeks come autista.

Callen e Sam sono costretti a lavorare nel loro giorno di riposo, dopo che ricevono una telefonata al cellulare in cui un misterioso personaggio minaccia di togliere la vita a persone innocenti se non faranno esattamente quello che dice.

L'agente speciale DiNozzo collabora con l'NCIS Los Angeles per setacciare la città dopo che un suo prigioniero è fuggito dopo l'atterraggio di un volo da Singapore a Los Angeles.

Il team NCIS è alla ricerca dell'ex compagno di Sam, Ruiz, scomparso durante l'acquisto di un esplosivo micidiale durante un'operazione segreta.

Kensi e Deeks vanno sotto copertura come membri del culto per salvare un ex dipendente del Dipartimento della Difesa che ha subito il lavaggio del cervello per rivelare informazioni riservate.

Quando un convoglio che trasporta Jada Khaled finisce in un'imboscata, la squadra si ritrova in una gara contro il tempo per trovarla, ma dopo il loro ultimo incontro di quattro anni prima, ben presto inizia a sospettare che lei non voglia il loro aiuto.

Il team è alla ricerca di una ragazza scomparsa che si teme sia stata reclutata da un'organizzazione terroristica.

Mentre Deeks è in arresto e interrogato per l'omicidio del suo ex compagno, la squadra deve correre contro il tempo per cercare di dimostrare la sua innocenza.

Quando una spia nordcoreana viene avvelenata e investita da un camion che trasportava alberi di Natale, la squadra deve cercare il responsabile. Inoltre, Deeks e Kensi cercano di trovare un modo per includere le loro madri nei loro piani di Natale, e Hetty si accorge che Granger non sente l'allegria delle vacanze.

Kensi e Deeks indagano sotto copertura sull'avvelenamento da radiazioni di un Sergente che lavorava in nero come guardia di sicurezza in una centrale nucleare dismessa.

La squadra indaga sull'omicidio di un agente finanziario che ha segretamente sviluppato un programma per computer che permette la raccolta di dati non rilevabili.

Quando Kensi e Deeks annunciano alla squadra che andranno a vivere insieme, per coincidenza Hetty li assegna alla protezione di Jack, l'ex fidanzato di Kensi, che è in possesso di un elenco contenente contatti importanti in Afghanistan per mettere le mani sui quali qualcuno sarebbe disposto a uccidere.

Al fine di individuare Arkady in Russia, l'NCIS va sotto copertura con la figlia, Anna, in una serata di gala a Los Angeles per ottenere l'accesso al computer russo del Console Generale.

Mentre sono in Russia, Callen, Sam e Anna predispongono un piano per liberare il padre di Anna e un agente della CIA. Inoltre, l'agente speciale G. Callen finalmente scopre per cosa sta la "G" nel suo nome, e a Los Angeles Kensi e Deeks affidano un incarico a Erik.

Dopo che molti video di sorveglianza della famiglia di Sam vengono trovati in Africa, Sam e Callen volano lì per trovare il responsabile e capire quale sia il suo movente. Intanto, la famiglia di Sam viene spostata in un luogo sicuro.

Quando una spia cubana condannata fugge dagli Stati Uniti poco prima che che tutto sia pronto per farlo tornare nel suo paese per uno scambio di prigionieri, la squadra è sconvolta dall'apprendere che Anna lo ha aiutato a fuggire. Inoltre, Deeks confida a Kensi che ritiene che lei sia troppo disordinata.

Callen e la squadra tentano di salvare un bambino in pericolo che ha subito il lavaggio del cervello da parte di una cellula terroristica. Deeks e Kensi discutono sulla possibilità di avere un figlio.

Assegnata alla protezione del comandante del Pacific Command, la squadra si mette alla ricerca di una spia nordcoreana.

Lo psicologo Nate Getz fallisce a portare a termine una missione di Hetty. La squadra scopre così che sta collaborando con un criminale.

Quando Granger accompagna Jennifer Kim a Los Angeles, la interroga sulla spia nordcoreana e ammette che si tratta di suo padre.

Quando informazioni top secret su dei sospetti terroristi vengono rubate al Dipartimento della Difesa, Sam e Callen vanno sotto copertura come vigili del fuoco.