У п'ятнадцятому сезоні "NCIS: Полювання на вбивцю" команда елітних агентів вирішує низку складних справ, які ставлять їхні навички під сумнів. Сезон розпочинається з наслідків смертоносного вибуху в таборі терористів, що змушує команду викрити складну мережу нелегальних торговців зброєю. Заглиблюючись у розслідування, вони виявляють шокуючий зв'язок із високопоставленим урядовцем.
Під час напруженого розслідування агент Ґіббс та його команда продовжують боротися зі своїми особистими демонами. Агент Торрес стикається з неспокійним минулим, коли старий друг стає підозрюваним у вбивстві, що змушує його поставити під сумнів свою лояльність. Тим часом агент Бішоп намагається примирити свої почуття до колишнього чоловіка, коли вони разом працюють над справою, пов'язаною з викраденою секретною інформацією.
У цьому сезоні також повертається старий ворог: команда отримує завдання вистежити сумнозвісного торговця зброєю, який виринув на поверхню після багатьох років переховування. Переслідуючи цього небезпечного злочинця, вони виявляються втягнутими в смертельну гру в кішки-мишки, ставлячи на кін свої життя.
Протягом усього сезону зв'язок між членами команди піддається випробуванню, оскільки вони орієнтуються у світі шпигунства та міжнародної злочинності, що перебуває під високим тиском. У кожній справі вони повинні покладатися на свій досвід, дотепність і непохитну рішучість, щоб притягнути до відповідальності тих, хто загрожує національній безпеці.
Наприкінці сезону команда стикається з приголомшливою зрадою у власних лавах, що призводить до драматичного протистояння, яке назавжди змінить їхні життя. У несамовитому фіналі вони повинні об'єднатися, як ніколи раніше, щоб захистити своє агентство і один одного.