Une scientifique de la Navy spécialisée dans les technologies laser expérimentales est retrouvée morte, victime d'un dispositif de décapitation particulièrement étrange. Son homologue russe, à la fois amie et rivale, devient la principale suspecte. Accusée de meurtre et soupçonnée de liens avec un groupe terroriste, elle place l'affaire au cœur d'un dossier diplomatique sensible. Le NCIS travaille avec le FBI, tandis que DiNozzo fait équipe avec l'agent Leia Pendergast.