Callen et Sam collaborent toujours avec le capitaine de la marine Harmon Rabb, Jr. afin d'appréhender des espions à bord du USS Allegiance. De son côté, Hetty s'associe au lieutenant-colonel Sarah "Mac" Mackenzie pour neutraliser une attaque par missile au Moyen-Orient.
Callen et Sam collaborent toujours avec le capitaine de la marine Harmon Rabb, Jr. afin d'appréhender des espions à bord du USS Allegiance. De son côté, Hetty s'associe au lieutenant-colonel Sarah "Mac" Mackenzie pour neutraliser une attaque par missile au Moyen-Orient. Pendant ce temps, Kensi et Deeks sont pris au piège, en Irak, dans une unité mobile de la CIA après avoir été victimes d'une attaque par l'Etat islamique.
S11E02 - Une petite ruse
Restés à Tel-Aviv, Sam et Callen collaborent avec l'agent du Mossad Eliana Sapir pour arrêter un trafiquant de drogue. À Los Angeles, Kensi s'associe à l'agent Lance Hamilton pour enquêter sur les meurtres d'anciens gardes du corps d'un trafiquant d'arme.
S11E03 - Mission old school
L'équipe doit protéger l'amiral retraité Kilbride lors d'une opération consistant à retrouver une femme officier des renseignements de la Navy.
S11E04 - La fièvre monte
L'USS Allégeance est mis en quarantaine après la mort d'une femme de l'équipage, contaminée par le virus Ebola. Sam et Callen cherchent des espions potentiels à bord tandis que Kensi et Deeks retracent les déplacements de la victime.
S11E05 - Le cube
L’équipe du NCIS recherche un tableau volé d’une valeur de 40 millions de dollars. Sur Internet circule la rumeur que l’œuvre est vendue sur le marché noir afin de financer des activités terroristes.
S11E06 - Un plan brillantissime
Le NCIS s'allie à deux anciens gangsters anglais, Ricky et Frankie, lorsqu'un trafiquant kidnappe la fille de Ricky pour obtenir un système d'armement militaire, volé par un de leurs anciens associés.
S11E07 - Concours d'élégance
Un ingénieur naval est blessé par balle lors d'une fête organisée par un célèbre joueur en ligne, mettant à jour le vol d'un prototype militaire. Sam et Callen vont recroiser la route de l'agent d'assurance Katherine Casillas.
S11E08 - Ne pas se plaindre
Le corps d'un lieutenant de la Marine a disparu d'une scène d'accident. L'équipe du NCIS se charge de l'enquête et découvre que son ordinateur portable est absent ainsi que des informations confidentielles récemment consultées pour des anciens membres de la Navy.
S11E09 - Kill Beale
Sam et Callen se rendent à San Francisco où Eric Beal, en détachement au sein du groupe de réflexion d'une puissante start-up, a échappé à une tentative d'intrusion chez lui avant d'être kidnappé…
S11E10 - Mère
Un ancien soldat d'opérations secrètes, formé par Hetty alors qu'il était jeune garçon, revient pour se venger de la vie qu'il eue à cause d'elle…
S11E11 - Réponses
L'équipe enquête sur le vol d’un virus informatique, Callen et Sam envisagent leur avenir au sein de l’agence. De leur côté, Kensi et Deeks envisagent d'avoir des enfants. Eric et Nell analysent l’impact de la mission d’infiltration d’Eric sur leur relation. De plus, l’équipe suit Mara, une banquière malhonnête.
S11E12 - Terrain balisé
Mis en contact par Hetty, l'équipe collabore avec l'agent de la CIA Veronica Stephens pour retrouver un ingénieur agronome nigérian qu'elle devait protéger à son arrivée à Los Angeles.
S11E13 - Du beau monde
A la suite d'une forte augmentation du nombre de décès par overdose d'opioïdes, l'équipe du NCIS fait le rapprochement entre la vente de cette drogue sur le marché noir qui pourrait permettre le financement d'activités terroristes...
S11E14 - Le projet Dragonfly
L'équipe du NCIS enquête sur le meurtre d'un ingénieur de guerre navale au cours d'une soirée slam de poésie. Parallèlement, Callen demande à Nell de l'aider pour tenter de géolocaliser Anna...
S11E15 - Dette de sang
Anna Kolcheck revient avertir Callen qu'il est en danger. Pour se protéger, il doit maintenant travailler avec un ennemi juré afin d'arrêter un réseau très dangereux...
S11E16 - Embuscade
Fatima est capturée alors qu'elle se trouve en mission, Callen et Sam enrôlent un agent secret de la CIA, Kadri, pour les aider à la récupérer.
S11E17 - Veillez sur moi
Quand un agent du FBI est tué alors qu'il tentait de géolocaliser un agent infiltré, le groupe du NCIS doit prendre la relève et mettre la main sur leur collègue avant que les criminels comprennent qu'il y a un mouchard dans leur équipe.
S11E18 - Ovni
Le NCIS enquête sur la disparition d'un officier du département de la défense qui enquêtait sur une récente observation d'OVN. Au même moment, Anna prend une grande décision pour son avenir.
S11E19 - La chance sourit aux audacieux
Alors que Sam enquête sur le meurtre d'un exilé iranien qui a voulu renverser le régime actuel de son pays, il doit également essayer de sauver l'agent Roundtree, un nouvel agent qui pour son premier jour a déclenché accidentellement une bombe. De son côté, Nell prend une décision concernant son avenir avec le NCIS...
S11E20 - Incendiaire
L'équipe du NCIS collabore avec le DOJ sur une enquête autour d'un pyromane qui vise le refuge du FBI protégeant un militant politique en quête d’asile. De son côté, Eric traite les conséquences du départ de Nell sur l'équipe...
S11E21 - Sauver les justes
Le NCIS aide une ancienne opératrice technologique à rechercher son ex-partenaire disparu. Parallèlement, Callen révèle à Sam qu'il est sur le point de vivre avec Anna et Deeks fait un test de grossesse...
S11E22 - Une journée paperasse
Suite à de graves accusations portées par deux Navy Seals contre leur supérieur, qui aurait exécuté un prisonnier afghan blessé et désarmé, Sam, Callen et l'agent Rountree se rendent à Kandahar pour confirmer les faits…