G viene rilasciato dopo aver ucciso il "Camaleonte"[1], ma è stato sospeso, Hetty ha rassegnato le sue dimissioni. Una squadra di Vaziri si aggira per LA per ritrovare le informazioni promesse dal "Camaleonte", un file con i nomi degli informatori che hanno lavorato sotto copertura per gli Stati Uniti in Iran. La squadra si mobilita per recuperare il file e risolvere la situazione.
Con l'ausilio di un drone in Afghanistan viene eliminato un terrorista noto come tripla A. Di rientro dalle ferie la squadra però viene informata che Adnan Al-Ahmadi, tripla A, fabbricante di bombe prezzolato, è sfuggito all'attacco e che all'interno dell'edificio distrutto è stato rinvenuto il cadavere del Sergente Maggiore David Adams capo del controspionaggio americano che non doveva trovarsi sul posto.
Uno studente, un anziano, un riccone e un operaio, il gruppo Eco One, si ritrovano in un bar dopo aver ricevuto un misterioso invito via Twitter dall'account della Marina Militare. Ma il Winer N Diner a Pasadena viene fatto esplodere. L'intelligence della marina aveva creato l'account per l'Operazione Wide Awake, un gioco di strategia per selezionare persone dall'elevato quoziente intellettivo per determinare le mosse più probabili con cui un piccolo gruppo o un solo individuo possono decidere di attaccare, mosse non logiche e scontate che un software di analisi delle minacce non è capace di prevedere. La squadra viene incaricata di scoprire chi ha violato l'account attirando le vittime nel bar e a quale scopo.
Clay Everhart, membro dell'ufficio per l'elezione al senato della candidata Monica Tenez, viene investito mentre cammina per il suo quartiere a Hollywood. Il Vice direttore Granger convoca la squadra nella sala operativa quando si scopre che il SUV che ha investito la vittima era stato rubato e che il guidatore aveva aspettato la vittima lungo la strada. Interrogando lo staff della candidata G e Sam scoprono che il ragazzo aveva trovato nella posta dell'ufficio elettorale una lettera minatoria contenente le foto dei 5 candidati al seggio barrate con un x. Hetty decide quindi di infiltrare Kensi che rileva la posizione di Clay nello staff, spedire il rendiconto economico delle donazioni ai sostenitori della campagna.
Sam riceve sul cellulare un messaggio automatico preregistrato da Frank Turner, un suo ex commilitone. Si reca quindi ad una fabbrica abbandonata dove trova il rifugio di Frank e il cadavere dell'uomo morto impiccato. Per fare luce sull'accaduto riunisce la squadra ed inizia ad indagare: Frank era un ex agente della CIA cacciato per le sue teorie deliranti. Nell'ultimo periodo l'uomo si era speso per provare che il Progetto Sinclar, attivato negli anni ottanta dal KGB, era ancora attivo e che sul territorio americano vivono spie russe dormienti dotate di mini testate nucleari.
La squadra, con la collaborazione dell'FBI, fa irruzione a Chicago, Dallas, Detroit, Houston, New York, Filadelfia e San Diego nelle case degli agenti russi dormienti alla ricerca delle testate nucleari[12]. Qualcuno però lì ha preceduti così Sam e G si recano da Arkady Kolcheck[13] che li mette sulle tracce di Isaak Sidorov, mercante d'armi, ex agente del KGB. La moglie di Sam, Michelle, agente dell'Intelligence sotto copertura col nome di Quinn, sarà il tramite di Sidorov.
Un uomo riprende con il cellulare un attentato ad una ambulanza che sta portando un ferito in ospedale. La vittima è Kevin Stone, esperto della marina mercantile, soccorso in gravi condizioni in seguito ad un incidente stradale. Stone lavorava a progetti di sorveglianza, ricognizione e ottimizzazione della raccolta dei dati. L'autopsia rivela che il killer ha sottratto I-sweep, un dispositivo all'avanguardia per il lavoro di intelligence, che Stone si era fatto impiantare sotto pelle per trafugarlo fuori confine e venderlo al mercato nero. Per venire a capo del mistero Kensi e Deeks operano sotto copertura.
Victor Potter, un ex-agente della CIA, è stato ucciso nella sua villa a Malibu. Lasciata l'agenzia tre anni fa, Potter è diventato ricco facendo il consulente per registi e produttori di videogiochi. Intanto Hetty e Granger nascondono qualcosa.
Un gruppo di uomini mascherati, armati con armi automatiche, assalta un portavalori che trasporta lingotti d'oro per il valore di 70 milioni di dollari destinato alla Cina come pagamento degli interessi su un prestito. Deeks è impegnato in tribunale così Kensi fa squadra con il Vicedirettore Granger.
A una settimana dal Natale, sulla portaerei Van Buren è stato ucciso l'agente Jason Nice. Hetty manda la squadra sulla nave: Kensi e Sam come membri dell'equipaggio, G come sostituto dell'agente assassinato e Deeks come addetto all'aggiornamento software.
Nel cuore della notte Jenny Radler telefona a Deeks chiedendogli aiuto: una banda ruba dei SUV nel West Side per poi usarli per degli attentati in Asia. Durante la telefonata la donna ha un incidente e poi viene rapita. Il team indaga per individuare i membri della banda e sgominarla. Deeks e Kensi si recano dalla figlia Talia all'università per raccogliere notizie utili a ritrovarla, ma la ragazza non vede la madre da anni.
Una vedova affranta dal dolore non è convinta delle circostanze in cui il marito, soldato della Marina, sarebbe morto e ingaggia un detective privato, il quale viene, però, assassinato, dopo aver trafugato la cartella clinica dell'autopsia del soldato. Mentre la squadra indaga, Hetty richiama lo psicologo Nate Getz nella sede per la valutazione psicologica semestrale degli agenti, dicendogli che ha bisogno di un "pedone" nella sua scacchiera. G e Sam scoprono che gli organi dell'uomo sono stati prelevati senza il suo consenso grazie alla complicità di un membro del personale della sala autopsie con un'agenzia di pompe funebri, coinvolta nel traffico illegale di organi umani.
Un commando d'élite viene sterminato in un raid contro un boss della droga. Sulle tracce degli assassini, Callen e Hanna arrivano a un gruppo di terroristi ceceni, che progettano un attacco negli Stati Uniti. I due agenti si infiltrano al loro interno.
Il comando congiunto delle operazioni speciali ha inviato una squadra in Messico per catturare Luis Cisneros, il nuovo capo del Cartello Molina, ma l'operazione fallisce e i marines finiscono in una imboscata. Callen e la squadra vengono incaricati di individuare la fonte della fuga di notizie. Incrociando i dati delle persone autorizzate a conoscere i parametri della missione Eric individua nei Giocatori di ruolo tattici, civili pagati per impersonare i combattenti ostili nelle simulazioni di preparazione alle missioni, i colpevoli. G, Sam, Kensi e Deeks si fingono una squadra in addestramento per una nuova missione per infiltrarsi nella stazione di addestramento, avvicinare i giocatori e individuare chi ha venduto informazioni.
Guest star: Miguel Ferrer (Vice direttore Granger), Nicholas Bishop (David Inman)
Durante le riprese per un programma sul paranormale, un uomo esce dal bosco con un coltello nel petto. Faceva parte di un'organizzazione terroristica che si sta risvegliando. Il professore di storia di un college fa visita a dei sospetti.
Isaak Sidorov ritorna in città, obbligando Quill, ancora infiltrata, a uccidere il suo nemico entro 24 ore, ma qualcosa va storto durante il pagamento e Sidorov fugge di nuovo.
La squadra segue un caso in Idaho dove affianca il red team, una squadra d'élite che segue missioni in tutto il mondo. Indagano sull'omicidio di due persone avvenuto con lo stesso modus operandi e il killer sembra essere Robert Spierce che una delle due vittime aveva filmato per sbaglio all'aeroporto.
La squadra continua la ricerca di Robert Spierce mentre il Red team si reca a El Centro per impedirgli di fuggire dal paese. Granger rivela ad Hetty che in passato l'assassino uccise un suo testimone con lo stesso modus operandi. Durante le indagini si scopre che Spierce agisce solo secondo la sua ideologia e che quindi non può essere lui il sicario; interrogando l'uomo che forniva al gruppo di Spierce le armi si scopre la vera identità del killer che viene rintracciato dall'agente Summerskill in un hotel di El Centro.
La squadra indaga sulla morte di un Marine avvenuta dopo aver bevuto un bicchiere d'acqua avvelenata con del cianuro di potassio. Durante le indagini Callen si infiltra in un gruppo terroristico, il DNA, che vuole ripulire l'America avvelenando le acque della città con il cianuro.
Prima che possa essere fatta l'autopsia due persone rubano dall'obitorio il corpo di Miguel Barboza, un trafficante di droga appena ucciso in un'azione dei Federales messicani. Callen e Sam parlano con l'agente John Ness della DEA che da anni dava la caccia a Barboza, mentre Kensi e Deeks vengono mandati in Messico per rintracciare un informatore della polizia messicana che era molto vicino a Barboza.
Durante una sparatoria una donna viene ferita dopo aver ucciso uno dei suoi aggressori. Hetty affida il caso alla squadra senza spiegarne il motivo e poi sparisce. Callen e Sam vanno nella casa galleggiante e trovano Hetty mentre beve un the con la donna misteriosa; Hetty rivela a Callen che lei si chiama Grace Stevens ed è un'agente NCIS che indaga su un'azienda che fornisce materiale nucleare ad altri stati. Callen indaga sul passato di Grace e lo trova simile al suo e a quello della Hunter e chiede spiegazioni a Hetty; intanto la squadra aiuta Grace nella sua indagine con un'operazione sotto copertura.
Deeks lavora sotto copertura con Monica Davis per indagare su un trafficante d'armi di cui lei è una dipendente, ma le cose si mettono male quando questa ruba al suo capo un sacchetto pieno di diamanti e per risolvere la situazione la copertura di Deeks salta.
Un'esplosione nel deserto riaccende la paura, e spinge la squadra a riavviare la ricerca di armi nucleari che erano state rubate. Callen e Kensi vengono mandati in Iran mentre Sam e Deeks restano a Los Angeles per coordinare l'operazione insieme a Quinn, la moglie di Sam. Intanto Deeks e Kensi si baciano.
