Les enquêtes de l'équipe du NCIS de Los Angeles spécialisée dans les missions d'infiltration... Le bureau des cas spéciaux basé à Los Angeles est chargé d'appréhender les criminels qui menacent la sécurité de la Nation. Rien n'arrête l'équipe de l'OSP muni de fausses identités, de couverture et de technologies avancées.
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De retour au sein du NCIS, Sam et Deeks restent traumatisés après avoir été torturés par Isaak Sidorov et ses sbires. Les deux hommes doivent maintenant se reconstruire et oublier ce qui s'est passé. Alors qu'ils sont toujours à la recherche des bombes nucléaires volées, les membres de l'équipe traquent également Marcel Janvier, alias le Caméléon. Celui-ci est parvenu à prendre la fuite et demeure introuvable.
Pour aider Sam et Deeks à surmonter l'expérience traumatisante qu'ils viennent de subir, Hetty fait appel au psychologue Nate Getz. Par ailleurs, le reste de l'équipe enquête sur deux meurtres. William Gardner, un ancien amiral de la Navy, et Jason Carter, un journaliste chargé d'écrire les mémoires du militaire, ont été assassinés à bord d'un jet privé qui s'est ensuite crashé à Burbank.
Un homme au volant d'une Ferrari rouge échappe à la police, à l'issue d'une folle course-poursuite. Soudain, sa voiture explose. Il s'agit de Tom Norris, président d'une entreprise de technologie médicale. Il travaillait sur un projet top secret de vaccin contre la ricine, une toxine, qui pourrait intéresser des groupes terroristes. Le NCIS est chargé d'enquêter au moment où Deeks fait son retour.
L'équipe enquête sur une scène de crime où un message concernant le père de Callen a été inscrit sur un mur. Hetty décide d'écarter G. de cette enquête en l'envoyant en formation dans un camp. Mais celui-ci ne tarde pas à rejoindre ses collègues sur l'enquête, malgré les ordres. En fouillant les lieux, il trouve plusieurs photos de lui enfant. Bientôt, Eric et Nell parviennent à identifier l'homme qui aurait enlevé Reinhardt.
À l'issue d'une course à pied à laquelle elle participait, la petite amie de William Garrett, membre des services de renseignements de la Navy, se fait enlever par des hommes armés et masqués. Garrett est quant à lui introuvable depuis qu'il a pris un congé, une semaine plus tôt. Sam et Callen finissent par le retrouver dans ses bureaux en pleine élaboration d'un nouveau projet. Parallèlement, Kensi s'inquiète pour Deeks.
L'équipe est sollicitée par le secrétaire d'Etat à la marine pour enquêter discrètement au sein d'un groupe de lutte contre le terrorisme où pourrait se trouver une taupe. Sam et Callen pensent même qu'il pourrait s'agir d'un membre du NCIS. Les choses se compliquent lorsque Eric découvre que la CIA et le FBI ont été piratés. Les agents sont surpris lorsqu'ils comprennent que l'auteur de cette cyber-attaque est une adolescente.
Un agent de sécurité d'une compagnie ferroviaire est agressé par des hommes masqués puis placé sur des rails avant de mourir écrasé. La victime avait surpris ses attaquants, peu de temps avant, en train de prendre des photos et des mesures. L'équipe pense avoir affaire à une branche d'Al-Quaïda qui prend pour cible les trains. Mais de nouveaux éléments surviennent et conduisent les enquêteurs sur la piste d'une vengeance.
L'équipe enquête sur une fusillade qui a eu lieu à la suite d'un cambriolage dans un bâtiment du département de recherche énergétique. Le gardien des lieux, ancien sergent d'artillerie de la Marine, a été touché sérieusement par deux balles. Callen et Sam partent sur les traces de l'un des fuyards tandis que Kensi et Deeks se rendent dans les bureaux qui ont été cambriolés. Parallèlement, Hetty donne une mission secrète à Nell.
Un officier des renseignements de la Marine basé à Kaboul depuis deux mois a été assassiné au cours d'une permission. Son corps sans vie a été trouvé flottant dans la piscine d'un centre de désintoxication à Malibu. Les soupçons des agents se portent sur un jeune charpentier qui avait sympathisé avec la victime dans le centre. Pour en savoir plus, Hetty envoie sur place Kensi et Deeks sous couverture.
L'équipe enquête sur l'assassinat d'un consultant du Pentagone survenu sur une base du Bahreïn qui était sur le point de remettre un plan pour sécuriser l'arsenal militaire pakistanais. Dépêchés pour récupérer les données confidentielles, les agents échappent de peu à une embuscade et Deeks fait échouer l'opération en se laissant dominer par ses émotions. Sam et Callen utilisent alors les compétences d'un gurkha, un soldat d'élite népalais.
L'équipe traque un ancien leader politique roumain soupçonné de crimes de guerre et de trafic d'êtres humains qui vit désormais à Los Angeles sous un nom d'emprunt, John Vasile. Sam et Callen vont rendre visite à sa femme qui semble tout ignorer du passé de son époux. Pourtant, les agents trouvent une pièce secrète remplie de dossiers et d'armes. Parallèlement, Deeks tente d'avoir des informations sur le lieu où se trouve Kensi.
L'équipe doit protéger Lily Lockhart, la fille d'un sénateur dirigeant une commission d'enquête sur les activités de l'armée chinoise, qui a été agressée à son domicile. Sam et Callen la mettent dans un lieu sûr pour l'interroger. De son côté, Deeks se voit adjoindre Nell pour aller s'entretenir avec le sénateur Lockhart. Quant à Kensi, elle en apprend davantage sur la suite de sa mission en Afghanistan.
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