„NCIS: Sydney“ lässt zwei Teams zusammenarbeiten: Unter der Führung von NCIS Special Agent Michelle Mackey (Olivia Swann) und Sergeant Jim „JD“ Dempsey (Todd Lasance) ermittelt eine gemeinsame Task Force des US-amerikanischen Naval Criminal Investigative Service (NCIS) und der australischen Bundespolizei (Australian Federal Police, AFP). Diese soll Verbrechen auf einem der schwierigsten Fleckchen Ozean der Welt im Zaum halten.