海軍情報局の中佐が誘拐されて死亡する事件が発生する。彼は数時間後に麻薬密売組織へ攻め込む軍事作戦に関与しており、姪も誘拐されていることが判明。狙撃されて瀕死の重傷を負ったカレンがチームに復帰し捜査に乗り出す。
麻薬ディーラーの家が襲われて現金を奪われる。犯行現場の監視カメラの映像を見たサムはショックを隠せない。SEAL時代に自分が指導した隊員たちが映っていたのだ。捜査を進めていくうちに驚くべき真実が明るみに。
空軍のシステムにハッカーが侵入し、ミサイルを搭載した無人機が消息を絶つ。早く行方を突き止めなければミサイルがテロリストの手に渡ってしまう。NCISの必死の追跡が始まる。
イラクでセデンシャル警備に勤務していた元海兵隊員が、ロサンゼルス国際空港で待ち構えていた同社の社員を殺害して逃走。NCISが捜査を任されるが、どういうわけか民間企業のセデンシャルが執拗に介入してくる。
DARPA（国防高等研究計画局）と契約した脱北者が狙撃されて死亡する。容疑者はヴァンス局長が長年追っている北朝鮮の冷酷な暗殺者。新人捜査官のドムが初めて潜入捜査の任務に就くが、現場は銃撃戦となり･･･。
ビルの屋上で開かれていた高級パーティー場から海兵隊員が転落死する。ニセ札がらみの他殺と断定されたため、NCISは美人シークレットサービスと合同捜査を開始。そしてカレンは彼女に興味を持ちはじめる。
ある女性の殺害現場に残されたUSBドライブからカレンを含む複数のターゲットを隠し撮りした写真のデータが発見される。被害者はカレンの狙撃事件につながるファイルも所有。狙撃犯を捕らえるべく命賭けの任務を企てる。
海軍基地の武器庫からミサイルを盗んでいたとみられる過激な民兵集団にカレンが潜入する。しかし途中でカレンとサムが人質として囚われの身に。NCISチームと犯人グループの間で緊迫したにらみ合いが続く。
海軍きってのエンジニアが殺害される。彼の技術を狙ったスパイの仕業と思われたが、ワシントンのNCISから呼ばれた科学捜査のスペシャリスト、アビーは痕跡を残さない手口を見て連続殺人犯の犯行だと確信する。
イラクで同じ爆発物処理班にいた海兵隊員３人が相次いで爆弾で狙われる。３人の証言から処理班には他にひどいやけどを顔に負ったイスラム教徒がいたことが判明。彼の居場所を聞き出すためケンジーは潜入捜査をするが…。
ストリップクラブに車が突っ込み、海軍下士官が死亡する。運転手がスーダン出身だったため、サムは自分がスーダンから連れてきた青年モーに会いに行く。一方現場にいたイスラム過激派の男は若者を誘ってジハードで戦わせていた。
元海軍のシステムエンジニアで、かつてカレンが偽名で潜入捜査をしていた横領事件の関係者が殺される。ある人物を訪ねたカレンは衝撃の事実を知ることに。ケンジーは獄中にいる事件のリーダーと面会を重ねる。
ドムから援護要請の電話が入る。まもなく路地裏でガラスが割られた血まみれのドムの車が発見され、捜査の結果、南アメリカで複数の誘拐ビジネスに関わっていた男たちが浮上。NCISはなんとか犯人との接触を試みる。
報道番組の撮影中に踏み込んだ武器密輸団のアジトで死因不明の遺体が見つかり、毒物感染が疑われる。生物兵器が国際テロ集団に競売されるとの情報を得て、サムが会場に潜入するが…。
ケンジーが客として入った銀行に強盗が押し入り、銃撃戦に巻き込まれる。その少し前バグダッドでアメリカ紙幣強奪事件が発生し海兵隊員が犠牲になっていた。NCISはLAでの犯罪計画が潜んでいることに気づく。
中国系移民を両親に持つ海軍のエリート少佐が橋で首を吊って死亡する。捜査を進めるうち、彼の家族に秘められた驚くべき秘密が明らかになっていく。それは国家の安全を脅かすものだった。
海軍の事務係下士官が違法なストリートレース中に死亡する。車に細工がしてあり、殺人事件として捜査するうち、被害者にはライバルがいたことが明らかに。サムがアクセル全開で容疑者を追跡する。
ダウンタウンの路上で、海兵隊一等軍曹が無数の銃弾を撃ち込まれて殺害される。やがてイラクの戦場から密輸された武器が、LAのギャング組織に流されているのではないかとの疑いが浮上するが…。
ハリウッドのナイトクラブ脇で総合格闘技ファイターの遺体が発見される。海兵隊の上等兵でもあった被害者は、イラクにいた頃仲間を殺されるミスを犯したという。報復殺人なのかを探るためサムがジムに入会する。
優秀な海軍士官が車ごと崖から落ちて死亡する。車の持ち主は彼が前の日に一夜を明かした富豪の令嬢と判明。被害者の足どりをつかむため、カレンとケンジーがハリウッドの超セレブなクラブに潜入する。
誘拐されて行方不明だった特別捜査官のドムがテロ組織に監禁されていることが分かる。犯人側は24時間以内に組織のリーダーを釈放するよう要求。ドムが処刑される前に一刻も早く発見すべく捜査が始まる。
ドムを誘拐したテロ組織のリーダーが護送中に逃走する。陸軍が拘束していたため、NCISは陸軍捜査部と情報共有しながら捜査していく。一方ヘティにはチームでの将来について考えていることがあった。
カレンの潜入捜査が見破られる。その上NCISのコンピューターもウィルスに侵入されてシャットダウンし、カレンは孤立状態に。やがて東ヨーロッパの犯罪組織とつながりのある謎の男から取引を持ちかけられる。
カレンは昔の自分と何か結びつきがありそうな女性の存在を知り、独自に調査を開始する。だがその女性を探しているのは彼だけではなかった…。果たしてカレンは過去の真相を突き止めることができるのか。
NCISは、ロス市警との連絡係となったディークスが潜入捜査中に消息を絶ったことを知り調査を開始する。やがて国際的な人身売買組織に単身乗り込んでいることが判明し、救出に向かうが･･･。
チェチェンの反乱軍を調べていたNCISの特別捜査官が殺される。捜査の結果、暗殺団の存在が浮上。次のターゲットは郊外の普通の主婦と分かり、真相を暴くためカレンが暗殺団に潜入する。
メキシコ国境付近で海兵隊員１人が殺され、２人が拉致される。ケンジーとディークスは手がかりを求めて現場へ。一方カレンとサムは、メキシコの麻薬組織とアメリカのビジネスマンの関係を追う。
ビバリーヒルズの高級ショッピングモールで手首のない遺体が発見される。海兵隊の機密情報を知り得る伍長だったため漏洩が疑われたが、イラクで略奪された美術品の貴重な宝石が関与していることが判明する。
海軍中佐の娘が誘拐された。犯人から生き埋めにされている映像が送られてきて、NCISの時間との戦いが始まる。一方、映像を見たサムの脳裏には過去のつらい記憶がよみがえっていた。
海軍の人材センターで立てこもり事件が発生。犯人はカレンがCIA時代に夫婦として潜入捜査をしていたパートナーだった。彼女は命を狙われているから助けて欲しいと言うが･･･。
国務省職員と美容整形外科医が殺される。犯人と思われるアルカイダのメンバーが顔を変える手術を受けていたため捜査は難航。だが手術後の顔を知る人物が１人だけいた。
デルタフォースで最重要の指名手配犯を追う部隊に所属し、退役したばかりの軍曹が誘拐されて殺される。NCISは彼を憎んでいたという息子と、パキスタン軍統合情報局のスパイで外交特権がある情報提供者の調査に乗り出す。
古美術商が殺され、NCISが捜査を開始するが、ヘティは秘密の本の発見を優先するよう指示を出す。各国の極秘事項が書かれていたというその本はヘティのスパイ時代の友人とつながりがあった。前編。
昔の友人を殺されたヘティは、犯人を捜し出して終止符を打つと固く誓う。果たして世界中の諜報員が追い求め、多くの犠牲を出した秘密の本を見つけることは出来るのか。後編。
クリスマスイブの夜、閑静なロサンゼルス郊外で銃撃戦が起き２人が死亡した。生き残った証人は、戦地で心に傷を負いPTSDを発症した元海軍の情報将校のみ。NCISが捜査に乗り出す。
検視局に何者かが侵入し発砲、遺体が盗まれる。その体内に海軍のサインがあったことからNCISが担当することに。謎のサインには一体どんな意味があるのか？そして事件の真相とは？
国防総省の極秘ファイルが人気のブロガーに転送されたことが発覚する。ファイルが公開されれば一大事だが、復号キーがなければ開けられない。持っているのは情報を流した人物であるが、追っているのはNCISだけではなかった。
中東やヨーロッパの爆破事件に関与したとされるテロ組織の情報を得るため、サムが囚人として刑務所に潜入。ネイトも精神分析医として配属されている。だがサムのことを不審に思う人物がいた。
カレンは自宅に侵入した男を取り押さえ、旧友の元KGBに突き出す。思ったとおり男は彼の手下だったが、カレンは億万長者の慈善家が偽造ICチップを密輸するという情報を聞かされる。
密輸をエスコートする汚職警官と海兵隊との関係を暴くため、ハイウェーパトロールに潜入したカレンとサム。２人はある男の逮捕を請け負うが、目の前で核弾頭が強奪されてしまう。
ロス市警のディークスが立ち寄ったコンビニで強盗に撃たれる。命は助かったが、カメラの映像からディークスは待ち伏せされていたことが判明。チームは彼を守ろうとするが、本当のターゲットは他にいた。
サムが脱獄を手引きし、その後イエメンに戻ったテロリストから接触がある。カレンとイエメンに入ったサムは、誘拐されたサウジアラビア王室の息子を世話するよう任される。
マリブ桟橋で男が絞殺され、一緒にいた海軍の情報将校も姿を消す。失踪前、彼はあるベネズエラの政治家に警鐘を鳴らしており、ちょうどその人物がLAに来ることが判明。NCISが暗殺を防ぐため動き出す。
機密が保管されている基地の倉庫が破られる。泥棒に扮したケンジーが美術品窃盗の大物に取り入り、ステルス機の開発情報が入った置物を狙っていることを暴く。だがその大物は仕事が終わると相棒を殺す冷血漢だった。
ロケットの打ち上げ直前に、衛星のテストをしていたロケットエンジンの専門家が死亡。衛星に使われたアメリカの極秘技術を守るため、情報分析官のエリックが初めての潜入捜査を任される。
ディークスは、凶悪な犯罪組織に不利な証言をしたあと行方不明となった幼なじみを助けるため、気は進まないながらも昔の偽名に戻る。しかし犯罪組織がおとなしく引き下がるわけもなかった。
SEALになりすました男が火をつけられて焼死する。遺体から以前盗まれたアイソトープと同じ物が出たためNCISチームが捜査を開始。調べを進めるうちに、放射性爆弾が作られた可能性が高まる。
衝撃のシーズン２最終回。突然辞職し、姿を消したヘティ。果たしてNCISチームはその謎を解き明かすことが出来るのか。
犯罪組織コメスク・ファミリーからヘティを救うため、サムたちはルーマニアの黒海沿岸へ向かう。海岸を見たカレンに幼い頃の記憶がよみがえる。
国防総省がサイバー攻撃を受け、そのソフトウェアの開発者が誘拐される。NCISは国家安全保障局との合同捜査に乗り出すが･･･。
海兵隊の基地から盗まれた大量の爆薬をNCIS が追う。ヘティの後任ハンターは、なぜかチーム内でのパートナーを交換するよう指示する。
報道レポーターの殺人事件がリビアの反政府軍の活動との結びつきに発展する。ヘティはカレンに家族の秘密と母親との関係について話す。
ロス市警が踏み込んだカルテルから手配中のテロリストが見つかり、NCISが捜査を開始。一方サムの愛車が盗まれエリックが捜すが･･･。
二重生活を送っていた元海軍情報将校が殺された。果たして犯人は？
不名誉な理由で除隊された元海兵隊員が殺人の容疑をかけられる。だが彼は罠にハメられたと主張。NCISは真実を突き止めようとする。
アメリカ海軍の身分証を持つ武器商人がメキシコで殺された。NCISが現地へ赴き、有毒物質が入った箱と犯人の行方を追う。
スーダンでアルカイダを追うCIAの捜査に潜入していたサムと連絡が途絶え、カレンが現地へ飛ぶ。NCISはCIAの中に内通者がいるとにらむ。
ディークスが丸腰の男を誤って射殺。NCISはロス市警との連携を解除し、ディークスは警察に戻る。
クリスマスに大学の工学部から試作品が盗まれた。作動すれば電子機器は機能を失い、ロサンゼルスは大混乱に陥ってしまう･･･。
殺人事件を解決すべく、ネルがシンクタンクに潜入する。一方NCISではメンバーと新しく来た副局長との間に溝があった。
重要証人の移送中に車が襲われる。サムがスーダンから連れ帰ったジェイダ・カレドだ。彼は帰国後初めてテロリストの妹と顔を合わせる。
外交保安局職員が乗った車が襲われる。麻薬組織との関わりが浮上し、パートナーになって５年のカレンとサムが潜入。２人に最大の試練が訪れる。
NCISはインターポールの捜査官と合同でモロッコ人の武器商人を追うことに。だが実はカレンに恨みを抱く、カメレオンのような殺人鬼だった。
ケンジーが父親と同じ狙撃班にいた男を殺した重要参考人としてグレンジャー副局長に事情聴取される。彼女の無実は証明されるのか。前編。
命を狙われたケンジーは姿を消し、父親殺しの真相と犯人に迫ろうとする。実はグレンジャーにはある目的があった。後編。
ベトナム領事館の前で若者が狙撃される。東南アジア会議を翌日に控え、NCISはテロ計画との関係を疑う。
海軍の通信兵が殺され、元SEALのサムがSEALの隊員たちに尋問することになる。果たしてSEALが殺人を犯したのか。
爆破を計画した疑いでFBIが元海兵隊員を逮捕した。NCISはLAでのテロ計画を見過ごしたことに納得がいかず、捜査を開始する。
コメスクを追ってハワイにいたカレンたち。天然痘のウィルスが本土に持ち込まれたと知り、ファイブ・オーのチンとダニーと共にLAへ戻る。
住宅街で暮らすロシアの潜伏スパイを特定するため、ディークスとケンジーが夫婦を装って潜入するが･･･。
銃の違法取引を捜査していたNCIS捜査官が命の危険にさらされる。事件の黒幕を知ったカレンは、仲間の命がかかっていながら仕事と復讐のはざまに揺れる。