Sesong 3 av NCIS: Los Angeles starter med et brak da teamet reiser til Romania for å redde sin kjære sjef, Hetty Lange (Linda Hunt) ut av klørne på en hensynsløs mafiafamilie. Hetty har imidlertid både personlige og profesjonelle motiver for reisen til Romania, og etter hvert avdekkes sjokkerende opplysninger fra fortiden til teamleder ‘G’ Callen( Chris O’Donnell). Dette fører senere til at teamet for første gang inngår samarbeide med Hawaii Five-O i et forsøk på å hindre en global pandemi… og i sesongens siste episode blir sirkelen sluttet idet teamet dras inn i et dramatisk hevnoppgjør. Blant teamets viktigste medlemmer er som vanlig den tøffe ekssoldaten Sam Hanna (LL Cool J), spesialagenten Kensi Blye (Daniela Ruah) og LAPD agenten Marty Deeks (Eric Christian Olsen). Mens de operative agentene jakter kriminelle rundt om i verden, sørger de stasjonære analyseekspertene Eric Beale (Barrett Foa) og Nell Jones (Renee Felice Smith) for å holde dem oppdatert på den ferskeste etterretningsinformasjon.