La squadra vola in Romania alla ricerca di Hetty dopo aver ricevuto delle informazioni che fanno pensare che la donna sia nell'est Europa. Callen nel frattempo scopre qualcosa in più sul suo passato e sulla sua vita.

La squadra NCIS si unisce alla NSA per trovare il creatore di un programma per computer che è stato utilizzato per un attacco hacker contro il sistema informatico del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti d'America.

L'agente speciale Sam Hanna viene inviato in una missione sotto copertura come un esperto di esplosivi. La sua missione è trovare degli esplosivi nascosti da qualche parte nella città prima che qualcuno possa usarli per scatenare l'inferno.

La squadra NCIS deve infilitrarsi nel mondo sotterraneo dei movimenti di resistenza libica per occuparsi di un caso difficile, l'omicidio di un giornalista. Nel frattempo Henrietta rivela dei dettagli scottanti sul passato di Callen.

La polizia di Los Angeles chiama in aiuto la squadra NCIS quando un raid in un edificio controllato da narcotrafficanti messicani rivela che essi hanno dei contatti con un terrorista ricercato. Nel frattempo Sam perde una cosa a lui molto cara.

La squadra NCIS deve indagare sull'omicidio di un ex ufficiale della marina americana, in particolare della divisione di spionaggio. L'uomo stava vivendo una doppia vita e viaggiava spesso con l'aiuto di passaporti falsi.

La squadra NCIS deve determinare se un marine espulso dall'arma con disonore è diventato vittima di un complotto di portata internazionale o se ha davvero commesso l'omicidio per il quale è stato cacciato.

Un tesserino della marina americana viene ritrovato addosso a un cadavere che sembra non avere niente a che fare con la marina stessa. Si tratta infatti di un caso di contrabbando di materiale tossico.

Dopo che la missione sotto copertura di Sam in Sudan finisce in tragedia, Callen e il resto della squadra NCIS deve rintracciare il suo agente scomparso prima che sia troppo tardi e che questi venga ucciso.

Una missione finita male costringe Henrietta a licenziare Deeks e rispedirlo a lavorare nel Los Angeles Police Department. Nel frattempo, un addio un po' imbarazzato tra Kensi e Deeks lascia la donna con tanti ricordi del loro passato insieme.

La squadra NCIS deve ritrovare un potentissimo dispositivo, che era in mano a un laboratorio di ricerca in un college e ora è finito in mani sbagliate, in grado di distruggere buona parte della città di Los Angeles. Nel frattempo Sam è alle prese con i regali di Natale.

Un ricercatore del Dipartimento della Difesa americano viene ritrovato morto. La squadra decide di inviare Nell a lavorare al suo posto per tentare di scoprire qualche indizio su chi potrebbe averlo assassinato.

Un veicolo che trasporta Jada Khaled rimane vittima di un'imboscata e l'agente viene rapita. La squadra NCIS deve allora lottare contro il tempo per salvare l'agente e aiutarla a risolvere il caso a cui stava lavorando.

Un furgone che stava trasportando dei documenti diplomatici importanti del Dipartimento di Stato viene intercettato. La squadra dovrà scoprire chi c'è dietro al crimine e che cosa effettivamente è stato rubato durante l'assalto.

La squadra deve rintracciare un killer camaleontico che è riuscito a farla franca sfuggendo sotto al naso di alcuni agenti federali. Con il Direttore Granger che tiene sott'occhio tutte le mosse della squadra, le indagini del nuovo caso si rivelano più difficili del previsto.

La squadra NCIS di Los Angeles continua a cercare delle prove per scagionare Kensi Blye dall'accusa di concorso in omicidio. L'agente è infatti accusata di aver eliminato i membri della squadra di suo padre, ormai deceduto.

Nella seconda parte di un doppio episodio, la squadra NCIS continua le proprie indagini alla ricerca di indizi che possano scagionare l'agente Kensi Blye dall'accusa di aver ucciso l'ex squadra di cecchini del padre deceduto.

La squadra NCIS di Los Angeles deve indagare su una sparatoria avvenuta all'interno dell'ambiasciata del Vietnam poco prima di un'importante conferenza, a cui avrebbe dovuto partecipare anche il Segretario della Marina americana.

Viene ritrovato il corpo senza vita di un ufficiale della marina e tutte le prove portano a una squadra della Navy SEAL in procinto di partire per una missione molto delicata. La squadra inizia gli interrogatori, cercando però di non compromettere la missione.

Un ex marine viene sospettato di aver realizzato una bomba chimica ad alto potenziale. La squadra NCIS inizia a indagare sul caso unendosi con una task force anti-terrorismo, che include una faccia nota: lo psicologo Nate Getz.

Le squadre NCIS: Los Angeles e Hawaii Five-0 uniscono le proprie forze per indagare su un caso spinoso. Un uomo è infatti sospettato di avere in mano un virus letale di grande potenza e di volerlo rilasciare a breve sulla popolazione.

Kensi e Deeks vengono inviati in una missione sotto copertura come una coppia sposata. I due devono scoprire se in un quartiere all'apparenza tranquillo si nascondono degli appartenenti a una cellula terroristica di origine russa.

Callen e il resto della squadra affrontano un avversario in cerca di vendetta, il Camaleonte, nel corso di indagini sotto copertura che provocano la reazione del temibile criminale. Prima parte di un doppio episodio che conclude la stagione.