Le bureau des cas spéciaux, une division du NCIS basée à Los Angeles, est spécialisé dans les missions d’infiltration. Tête brûlée de l’équipe, l’agent G. Callen change d’identité à chaque nouvelle mission, où il n’hésite pas à mettre sa vie en danger. Son partenaire, l’agent Sam Hanna, est un ancien militaire spécialisé dans la surveillance. Dans cette saison les agents Callen, Sam, Kensi, Deeks, le prodige de l’informatique Eric Beale et l’expert analyste Nell Jones s’attaquent à des ennemis aux quatre coins de la planète, tels que des espions nord-coréens ou des truands russes. Les membres du NCIS prendront part à une secte, vont protéger des mannequins ou encore s’inviter à travailler au cœur d’une centrale nucléaire… Au même moment, Kensi et Deeks découvrent les joies de la vie à deux.