Gibbs ayant quitté le NCIS, Tony reprend les rennes de l'équipe, MacGee n'est plus le bleu car une nouvelle recrue est intégré au NCIS. Alors que Ziva circule en voiture, elle part a la poursuite d'un couple de motard. Au moment de leur passage vers une restaurant, celui ci explose et Ziva est accusé d'avoir laissée filer les terroristes. Ziva appelle alors un renfort de poids : Leroy Jethro Gibbs...

L'évasion de Derrick Paulson oblige Gibbs a revenir temporairement au NCIS. Gibbs et Fornell l'avaient arrêtés auparavant et maintenant il menace Fornell et sa fille. En réouvrant ce dossier, Gibbs et le NCIS découvre que la vengeance n'est pas le seul motif de l'évasion...

Lors d'une visite d'une maison à vendre, un couple ainsi que l'agent immobilier découvre avec effroi le cadavre d'un homme assit sur un fauteuil. Le NCIS découvre que ce marine devrait être en mission en Irak et surtout que l'homme était marié à deux femmes en même temps...

La directrice du NCIS, Jen Shépard assiste a un cocktail politique quand tout un coup un cadavre atterri sur le buffet. L'équipe de Gibbs apprend que l'homme est un héros de guerre mais les circonstances de son décès sont très troublantes. Après quelques recherches, le NCIS apprend que l'ancien marine vivait dans l'hôtel et lors de la fouille de la chambre, une jeune asiatique est retrouvée morte...

Un équipe travaillant sur un chantier d'une base militaire fait une terrible découverte dans la cheminée. Le corps brulé d'un homme qui n'est autre qu'un tueur en série recherché depuis près de 12 ans. Le NCIS, en collaboration avec le FBI enquête sur ce crime et fait une trouvaille des plus étranges. Pendant ce temps, Jenny Shépard confie une mission en solo à Tony Dinozzo.

Un marin est retrouvé mort dans un restaurant abandonné. Gibbs et son équipe enquêtent sur l'affaire avec l'aide d'une personnalité de Washington et des agents de police locaux. Au début, les agents pensent à un décés par overdose accidentelle, mais quand ils découvrent une mystérieuse carte, Abby y trouve un sinistre message écrit en lettre de sang faisant comprendre que le marin a été assassiné. Les membres du NCIS interrogent un sans-abri. Un des policiers ressemble beaucoup à Tony de part son caractère, professionnellement et personnellement, et cette alchimie entre eux deux pousse Tony à se confier au policier sur sa relation avec Jeanne dont il est très clairement amoureux. L'affaire amène les agents à se rendre dans un night club...

Un inspecteur de l'Agence Internationale de l'Energie Atomique arrive au quartier général du NCIS et demande aux agents de l'aider à résoudre un meurtre : le sien. En effet, l'homme est malade et mourrant, il sait qu'il a été empoisonné et veut retrouver son meurtrier. Ziva est certaine de connaitre cet homme, mais elle n'arrive pas à se souvenir où ils ont bien pu se rencontrer. Elle développe des liens avec lui au fur et à mesure de l'enquête. Les agents du NCIS et l'inspecteur tente de recréer les dernières heures de celui-ci afin de savoir où et comment il a pu être contaminé. Gibbs est persuadé que la personne qui a empoisonné l'inspecteur voulait par tous les moyens empêcher celui-ci de procéder à l'une des prochaines inspections qui étaient planifiées. Les investigations s'orientent vers les deux plus proches collègues de l'inspecteur car d'après lui ils étaient les seuls à être au courant de son planning. Tony est étonné de voir un côté plus doux de Ziva...

Un intru semble s’être introduit dans la maison de Jen Shepard qui rentre d'un voyage en Europe aux frais de la princesse. De son côté, la Grenouille discute avec Trent Kort de Tony. Quant à Gibbs, il partage quelques moments avec Fornell. L'équipe du NCIS est guère ravie lorsqu'elle apprend qu'elle est choisie pour tester un nouveau détecteur de mensonges de Homeland Security (Sécurité du Territoire) : les secrets de l'équipe se dévoilent, dont le plus important de cette saison. DiNozzo, désarmé, est tenu en otage avec Jeanne par un dealer de drogue sans pitié.

Gibbs enquête sur l'assassinat d'un ancien officier du NCIS proche d'un groupe terroriste. Il découvre alors un lien entre cette affaire et le renvoi de sa précédente équipe. L'agent spécial se rend également compte que l'un des nouveaux membres sous ses ordres est un traître. Une véritable course contre la montre commence pour Gibbs.

Dwayne Wilson, une nouvelle recrue, rejoint Gibbs pour l'aider à résoudre une affaire de vol dans une banque de Quantico. Au cours du braquage, l'agent de sécurité Rudy Vittorio a été abattu. Les agents estiment tout naturellement que Vittorio a été la victime malheureuse d'une attaque qui a mal tourné. Pourtant, lorsqu'ils découvrent un véhicule rempli de l'argent pris dans la banque, ils en arrivent à penser que le vol n'était pas le mobile du crime. Il semble que des gangsters aient procédé au braquage d'une bijouterie en utilisant la même méthode six mois plus tôt. L'un des voleurs n'était autre que Joey Vittorio, le fils de Rudy...

Un corps vient d'être livré sur une base militaire de la marine. L'endroit abrite les fichiers stratégiques de Domino, un plan d'action top secret qui pourrait être utilisé en cas d'attaque au Moyen-Orient. Sur ordre de leur hiérarchie, les membres du NCIS sont chargés d'investir la base pour en vérifier la sécurité.

L'agent Lee est utilisée comme appât pour intercepter le maître-chanteur qui détient sa fille et qui l'utilise pour avoir des informations militaires. Il s'agit d'un ancien collaborateur de la NSA déjà accusé d'avoir volé des données secrètes. Lors de l'interrogatoire, ce dernier confie au NCIS que sa femme a également été enlevée.