NCIS: Los Angeles theo đặc vụ G. Callen (Chris O'Donnell), một "huyền thoại" được giao cho Văn phòng các dự án đặc biệt (OSP), một chi nhánh hư cấu của Dịch vụ điều tra tội phạm hải quân (NCIS ngoài đời thực không có văn phòng ở Los Angeles).[18] Callen lãnh đạo một nhóm các thành viên hoạt động bí mật khi họ chiến đấu với kẻ thù cả nước ngoài và trong nước dưới con mắt cảnh giác của Giám đốc điều hành Henrietta "Hetty" Lange (Linda Hunt). Nhóm nghiên cứu gồm có đặc vụ Zacki Blye (Daniela Ruah), một chuyên gia chiến đấu tay đôi và chuyên gia pháp y, Sam Hanna (LL Cool J), cựu đối tác của Navy SEAL và G, nhà phân tích kỹ thuật Eric Bartholomew Beale III (Barrett Foa) và thành viên nhóm xếp hạng Shay Mosley (Nia Long), Trợ lý giám đốc điều hành NCIS cho các hoạt động ở Thái Bình Dương (EAD-PAC).

Trong suốt quá trình thực hiện, nhóm này được hỗ trợ bởi các đồng minh từ cả NCIS và các đối tác địa phương, bao gồm sĩ quan liên lạc LAPD Marty Deek (Eric Christian Olsen), Nhà phân tích tình báo Nell Jones (Renee Felice Smith), Nhà tâm lý học hoạt động Nate Getz (Peter Cambor), và đại lý tân binh Dominic Vail (Adam Jamal Craig), tất cả đều làm việc cùng với Trợ lý Giám đốc NCIS Owen Granger (Miguel Ferrer), một đặc vụ laconic và quan chức lành nghề.