Quelques années après leur départ du NCIS, Tony et Ziva vivent à Paris où ils élèvent leur fille Tali. Tony est à la tête de sa propre société de sécurité tandis que Ziva dirige une école internationale de langues. Lorsque les comptes bancaires d’Interpol est piraté via un logiciel nommé 9.4, Tony et sa directrice technique Claudette parviennent à y mettre un terme. Mais, pour récupérer le virus informatique, un certain Galimard menace la vie de Tali, forçant les deux anciens agents à reformer leur duo…

Considérés comme des fugitifs par leur ami Henry Rayner-Hunt, désormais secrétaire général d’Interpol depuis la disparition de son patron Jonah Markham, une notice rouge a été déclenchée pour retrouver Tony et Ziva. Ces derniers se rendent à Milan en Italie pour interroger le programmateur du malware 9.4, Boris Peskov.

À Mulhouse, Tony et Ziva cherchent à interroger Aaron Graves, le PDG de Reigning Fire, une société privée d’armement militaire dont les drones pourraient être la prochaine cible du malware 9.4, lorsqu’une explosion les fait fuir. Toujours recherchés par Interpol et en attendant que Claudette efface leurs traces, Tony et Ziva se réfugient dans le chalet de Nicole, la femme mariée avec qui DiNozzo a une liaison…

Tony, Ziva et Claudette comptent utiliser le mariage de Boris et Fruzsi à Budapest en Hongrie pour attirer Martine Aranow dans un piège et obtenir les preuves de son implication dans le piratage des comptes d’Interpol via le malware 9.4. Leurs plans vont être bouleversés lorsque Fruzsi est arrêtée par la police, obligeant Ziva à jouer la fausse mariée.

Après avoir appris que Jonah était détenu sous un faux nom dans une prison de haute sécurité en Autriche, Tony et Ziva infiltrent l’établissement pénitentiaire avec l’aide de Claudette et Boris. Ils découvrent la présence de Martine Aranow sur le site, ainsi qu’un drone expérimental dérobé à la société d’armement Reigning Fire.

Pour protéger leur fille, Tony et Ziva ont envoyé Tali et Sophie se réfugier dans une ancienne planque de Ziva au cœur de la Forêt-Noire en Allemagne, où la famille était venue passer des vacances. Mais après avoir été débusquées par Galimard et ses hommes, Tali et Sophie se réfugient dans la panic room de la maison pendant que Tony et Ziva foncent à leur secours…

Réintégré comme secrétaire général d’Interpol, Jonah accuse Tony et Ziva des événements en Autriche et obtient des mandats contre eux. De retour à Paris à l’approche d’un salon organisé par Reigning Fire, Tony et Ziva veulent découvrir pourquoi Jonah et Martine cherchent à détruire le PDG Aaron Graves. Ils sollicitent l’aide du Dr Lang pour les héberger sans être repérés, mais c’est son compagnon Archi, pédopsychiatre, qui les accueille.

À Paris, Tony, Ziva, Claudette et Boris infiltrent la convention de Reigning Fire pour contrer les plans de Jonah visant la société et son PDG. Les deux camps tentent chacun d’atteindre la salle des serveurs : Tony et Ziva veulent obtenir les images du drone et faire condamner Jonah pour meurtre tandis que Martine Aranow veut pirater la base de données du marchand d’armes…

Tony a suivi Jonah et Aaron Graves jusqu’à l’île de Zafira en Espagne où le PDG a une propriété ultra-sécurisée et des caméras sur tout le territoire. Ziva parvient à retrouver Tony grâce à leur messagerie cryptée et le rejoint sur l’île avec Claudette et Boris. Elle charge Sophie d’emmener Tali à la Barbade mais leur vol est piraté et détourné via le 9.4…

Sur l’île de Zafira, Jonah a fait enlever Tali pour contraindre Tony et Ziva à stopper leur action contre lui. Tandis que Jonah veut accéder à la salle des serveurs ultra-sécurisée de Raigning fire pour en prendre le contrôle avec le 9.4, Boris veut exploiter une faille dans le malware et l’utiliser comme un cheval de Troie. Tony et Ziva vont réapprendre à se faire confiance et découvrir qui sont leurs véritables alliés.