«NCIS: Los Angeles» følger hovedsakelig spesialagentene Sam Hanna (spilt av LL Cool J) og G. Callen (spilt av Chris O'Donnell) som er to undercover-agenter i Office of Special Projects, en spesiell gren av Naval Criminal Investigative Service. Sam er et tidligere medlem fra Team Six i U.S. Navy SEALs, og en dedikert familie-mann. Callen er et tidligere fosterbarn, som ikke visste noe særlig om hans egen bakgrunn. Sjefen deres er Henrietta «Hetty» Lange (spilt av Linda Hunt) og de blir ofte hjulpet av spesialagentene Kensi Blye, Dominic Vail, psykolog Nate Getz (spilt av Peter Cambor) og operatør Eric Beale.
Dominic Vail blir bortført av en terror-gruppe halvveis i sesong 1, og etter en periode som gissel blir han drept i løpet av et redningsoppdrag mot slutten av sesongen. I sesong 2 blir etterforsker Marty Deeks (spilt av Eric Christian Olsen) fra Los Angeles Police Department også en del av laget deres, etter å ha hjulpet til med forskjellige etterforskninger i forrige sesong. I løpet av TV-serien utvikler Deeks og Kensi seg sakte fra partnere til elskere, og de to gifter seg i løpet av sesong 10. Med på laget i sesong 2 er også analytiker Nell Jones (splt av Renee Felice Smith) en ung briljant agent som Hetty håper kommer til å ta over hennes egen plass etter hvert.
I Sesong 9 tar Shay Mosley (spilt av Nia Long) tildelt ansvaret for avdelingen etter at Hetty reiser på et personlig oppdrag for å frigjøre en tidligere kollega i Vietnam. Resten av teamet deres redder deretter Hetty når oppdraget hennes slår feil. Mosley sender i mellomtiden teamet på et ikke-godkjent oppdrag til Mexico, for å redde sønnen hennes fra hennes kriminelle tidligere ektemann mot slutten av sesongen. Selv om dette oppdraget lykkes, resulterer oppdraget også at Mosleys assistent blir drept. I tillegg blir de fleste fra teamet skadd. Mosley aksepterer fullt ansvar for oppdraget, trekker seg fra sin stilling, og går deretter i skjul sammen med sønnen sin for å unnslippe et kartell som var alliert med ektemannen hennes.
I løpet av sesong 11 og 12 blir to andre unge agenter, Fatima Nazami og Devin Roundtree, rekruttert til avdelingen. Men de går kort tid senere over til privat sektor mot slutten av Sesong 12. Når Hetty er opptatt med et annet oppdrag, tar admiral Hollace Kilbride (spilt av Gerald McRaney) som tidligere hadde hjulpet «Office of Special Projects» i flere tilfeller, midlertidig over som operasjonsleder for hele avdelinegn i sesong 13.
