L'équipe est en alerte : un criminel russe, Sidorov, qui s'est approprié trois têtes nucléaires, en fait exploser une dans le désert mexicain. Craignant que Sidorov tente de vendre les deux autres bombes, Hetty demande à Michelle, la femme de Sam, membre de la CIA, de collaborer à l'enquête. Le couple devra tenter d'infiltrer l'équipe du trafiquant russe pour mieux connaître ses intentions. De leur côté, Callen et Kensi sont envoyés en Iran pour rencontrer Marcel Janvier, qui pourrait vouloir acheter une des bombes de Sidorov. Contrarié d'être séparé de sa partenaire, Deeks se fait du mauvais sang pour elle...