Nella base dei marine di Quantico la signora Rowans, moglie di un militare, spara a un uomo che si è introdotto in casa sua e ha tentato di violentarla. L'uomo, ferito gravemente ma sopravvissuto, afferma che è stata lei ad invitarlo e dalle tracce informatiche sembrerebbe vero che la donna avesse contattato l'uomo su un sito erotico. Si scopre però che quest'ultimo aveva organizzato tutto e seminato le false tracce sul computer della vittima, e viene arrestato dalla squadra di Gibbs.

In un cimitero militare viene alla luce un loculo con resti umani di persone diverse. L'NCIS deve scoprire chi sono le vittime e se tra loro c'è una connessione.

Ducky scopre che il cadavere che sta analizzando per una ricerca è in realtà la vittima di un assassinio, quindi il team si mette al lavoro. La vittima era un pericoloso ricercato dell'FBI chiamato "L'eliminatore".

Il team dell'NCIS paga un caro prezzo, quando tenta di fermare un Marine che crede di essere ancora in Iraq. Dopo un violento confronto, la squadra si accorge che il Marine è soggetto ad un esperimento segreto. Le cose diventano ancora più complicate quando un assistente di un senatore comincia ad interferire con le indagini, dato che il Marine doveva essere decorato dal senatore e un incidente potrebbe risultare negativo per la sua immagine. Si scoprirà poi, che le cose sono ancora più complicate e il Marine non può essere decorato, ma Gibbs, che prova simpatia per il ragazzo, gli darà in regalo la propria medaglia.

Il cadavere di La Grenouille, viene ritrovato solo adesso nel porto. Si tratta praticamente della continuazione del primo episodio della stagione: tutto il team viene messo sotto inchiesta. Il direttore viene sospeso e l'indagine interna viene affidata all'agente Fornell dell'FBI. Per primo viene indagato Tony, dopo che Jeanne afferma di averlo visto sul molo dove è stato ucciso Benoit, nel frattempo Gibbs non si arrende ed entra nel database della CIA per continuare le indagini per conto suo. Nella sua cantina lavorano McGee, Ziva e Ducky, che svolge l'autopsia sulle foto del cadavere di La Grenouille. Tony rimane indagato fino a che Jeanne non ammette di non aver visto assolutamente Tony e di non essere neppure andata al molo. Alla fine Gibbs capisce che ad uccidere La Grenouille è stata Jeanne, il direttore, ma le indagini ufficiale non riescono a capire questo e il direttore riacquista il suo posto nell'N.C.I.S.

Una coppia di Marines viene aggredita all'uscita da un night-club. Di questi due uno viene ucciso, e l'altro viene lasciato in fin di vita. L'NCIS viene chiamata ad indagare, e l'indagine porta la squadra a Stillwater, Pennsylvania, la città natale di uno dei due Marines ed anche di Gibbs. La ricerca li conduce al proprietario di una miniera ed alla sua famiglia. Sua figlia è stata l'ex fidanzata del Marine ferito. Quando la squadra scopre che il Marine ferito è effettivamente il figlio del proprietario della miniera, l'indagine si rivolge al genero di quest'ultimo, che si scopre essere il mandante dell'attacco ai due Marines. Sempre nella sua città, il team di Gibbs incontra il padre del loro capo: Jackson Gibbs, che gestisce un negozio di alimentari. L'incontro tra padre è figlio è inizialmente freddo in quanto Gibbs non ha perdonato al padre il fatto di essersi trovato una nuova compagna dopo la morte della madre. Tuttavia il loro rapporto pian piano si rinsalda, soprattutto dopo che Jackson mostra al figlio l'auto sportiva che ha restaurato e rimesso in modo apposta per lui nel corso di 30 anni. Naturalmente Ziva, Abby, Di Nozzo e McGee sono sorpresi e stupefatti dall'incontro col padre del loro capo e cercano di capire che tipo di rapporti ci sia tra i due e cosa il vecchio Jackson abbia insegnato al figlio per renderlo ciò che è diventato. Durante l'indagine Gibbs ritrova inoltre vecchi amici ed esplora il suo passato e in particolare le origini del suo rapporto con la sua prima moglie, Shannon, madre della sua unica figlia, Kelly, entrambe uccise molti anni prima.

A una base militare dall'attività interna segreta viene consegnata una cassa con un cadavere congelato. La squadra di Gibbs sente puzza di bruciato e organizza un "ingresso" notturno. McGee oscura le videocamere mostrando sui video dei sorveglianti un filmato vuoto in loop, mentre Dinozzo e Ziva entrano seguendo le loro istruzioni via audio. Improvvisamente l'allarme suona, nonostante fossero stati disattivati; sapevano del loro arrivo! Ma era "solo" un test che la squadra di Gibbs deve fare per testare la sicurezza di "Domino", un programma che prevede nei dettagli la risposta statunitense ad attacchi terroristici contro obiettivi sensibili in Israele o Medio Oriente. Dinozzo e Ziva vengono catturati (non senza resistere), e vengono raggiunti da Gibbs e Vance. C'è ancora una talpa nel NCIS! Non era Langer. Tuttavia l'intero test e l'edificio erano solo un'esca per il traditore. Grazie a un elemento radioattivo messo sulla tastiera di Domino, con un contatore geiger viene individuata... Abby! Lee si lava nervosamente le mani. Vance le chiede di procurarle un avvocato, quindi Lee esce e Vance la fa spiare per trovare il suo contatto. Lee viene interrogata, rivela che Langer è innocente e spiega la sua storia: è ricattata da alcuni sconosciuti che hanno rapito sua figlia. Lee esce dall'edificio e trova Gibbs in auto. (continua nella prossima puntata)

Durante le rilevazioni in seguito ad un omicidio di un marine, il Dottor Mallard viene avvicinato e accoltellato in strada da una donna afghana che poi va a chiedere asilo nella sua ambasciata. In seguito al racconto della donna, l'ambasciata informa Gibbs che il governo afghano chiederà che Ducky venga arrestato e processato per crimini di guerra commessi nel campo profughi di Jalozai, in Afghanistan.

Un pugile di nome Tyler Owens viene trovato ucciso. Vance apre un'indagine che inizia a seguire personalmente lasciando fuori Gibbs. Va così a prelevare Tara, una psicanalista che conosceva Owens e proibisce a Abby di informare Gibbs sui risultati delle ricerche.

Ma Gibbs non se ne sta a guardare e ne approfitta per scavare nel passato di Vance.

Durante una partita a poker tra i dirigenti delle principali agenzie federali degli Stati Uniti (CIA, FBI, Immigrazione), un agente della Immigrazione addetto alla sicurezza rimane ucciso. Ad indagare viene chiamata l'NCIS, che scoprirà quindi di essere stata esclusa da quella apparentemente informale riunione. Si scoprirà che il colpevole è un terrorista che aveva cercato di inserire una microspia nel luogo della riunione, che verrà poi ritrovato morto, apparentemente suicidato.

La riunione delle agenzie in realtà non era informale, ma si discuteva di sicurezza interna e dei rapporti con il Mossad e l'NCIS era stata esclusa perché si decideva se affidare al direttore Vance un'operazione correlata.

Alla fine della vicenda Tony, con l'aiuto di Abby, continua ad indagare sullo strano suicidio del terrorista, e scopre che dal suo computer era stato fatto un collegamento con l'abitazione di Ziva. Così decide di recarsi di persona all'abitazione della collega, ma ad aprirgli la porta trova Rivkin, nonostante i due avessero già avuto poco prima un incontro in cui Tony lo intimava a tornarsene in Israele. Tony cerca di arrestarlo, ma Rivkin reagisce aggredendolo e dopo una colluttazione Tony gli spara uccidendolo, proprio mentre Ziva stava rientrando.

Sono passati alcuni mesi da quando Gibbs ha lasciato Ziva in Israele e nessuno all'NCIS l'ha più sentita. Preoccupati che possa esserle successo qualcosa, Tony, McGee e Abby ricostruiscono i suoi ultimi spostamenti e scoprono che era in missione per rintracciare il terrorista Saleem Ulman in Nord Africa. Tony e McGee si recano in Africa per ritrovare Ziva ma vengono subito fatti prigionieri da Saleem. Il terrorista somministra il siero della verità a Tony e lo interroga sul modo di lavorare della sua agenzia, su come siano riusciti a trovare la sua base e perché siano andati fino a lì. Incapace di tacere a causa del siero, Tony ricapitola gli ultimi mesi di attività e rivela che all'NCIS tutti credono che Ziva sia morta, lasciandosi sfuggire più volte quanto per lui sia importante Ziva. Tony afferma di essere partito per l'Africa per cercare vendetta nei confronti degli assassini dell'ex collega. Saleem fa portare Ziva davanti a Tony, lasciando lui e McGee (che a terra si finge svenuto) sbigottiti. Quando Ziva chiede a Tony perché proprio lui sia venuto a cercarla, le risponde di non poter vivere senza di lei. Quando Saleem minaccia di uccidere Ziva se Tony non gli rivela chi altro dei suoi colleghi è in Africa, Tony dice a Saleem che gli rimangono trenta secondi di vita e ricorda al terrorista che il suo superiore è un cecchino. Gibbs a quel punto uccide Saleem con un colpo di fucile da due colline di distanza: i tre riescono a fuggire, anche grazie all'arrivo di Gibbs. La squadra torna subito a Washington, dove appena entra in ufficio viene applaudita da tutti i colleghi, compreso il direttore Vance.

La barca che Gibbs da tempo costruiva nella sua cantina viene ritrovata in un porto militare, con due uomini uccisi a bordo, ex-marines arruolati in una compagnia militare privata. Gibbs aveva lasciato la sua barca a Mike Franks in Messico, che adesso quindi diventa ricercato per duplice omicidio. Franks spiega a Gibbs che ha ucciso i due mercenari per proteggere la sua famiglia: la vedova di suo figlio Leyla e la nipote Amira. Nel corso delle indagini, Abby ha l'opportunità di esaminare la scena del crimine, la fantomatica barca a vela di Gibbs, che farà a pezzi nel suo laboratorio. Cercherà anche di scoprire come ha fatto a farla uscire dalla cantina, ma il mistero rimarrà irrisolto. Riguardo al caso Franks, si scoprirà che i due mercenari erano stati ingaggiati dalla madre di Leyla, Shada, una capo-tribù irachena che vuole riportare la figlia in Iraq. In realtà a uccidere i militari non era stato Franks, ma la stessa Leyla, che spaventata aveva aperto il fuoco con un fucile e successivamente Franks aveva cercato di coprirla sparando con la sua pistola di grosso calibro sui corpi, per prendersi la responsabilità. Nel finale Shada si reca a Washington per parlare con la figlia di persona, ma prima si mette in mezzo Franks. I due dopo un aspro colloquio sembrano appacificarsi e convenire che, per il suo bene, è meglio che Leyla rimanga negli Stati Uniti. Inoltre, il leader della compagnia militare privata viene arrestato per aver operato in Messico, dove l'attività di mercenario è vietata.

Due ranger trovano il corpo di un marine in un'area di foresta che aveva da poco subito un incendio. Una volta arrivata sul posto, la squadra NCIS scopre che il capitano è morto a causa di una forte esplosione e McGee capisce che a esplodere è stato un jet pack. Durante le indagini McGee si dimostra molto ferrato sull'argomento dei jet pack, dai quali è profondamente affascinato. Intanto una misteriosa donna avvocato intralcia la squadra nel suo lavoro, apparendo improvvisamente ogni volta che tentano di interrogare qualcuno.

Gibbs e la sua squadra indagano sull'omicidio di un marine. In seguito la squadra individua una pista, riguardante alcuni traffici di autotrasporti illegali. Per risolvere la faccenda, Gibbs e la sua squadra collaborano ancora una volta con l'agente speciale Fornell dell'FBI.

Dopo la morte di un marine e di un pentito che stava per andare nel programma protezione testimoni la squadra di Gibbs si ritrova a indagare sul luogo del secondo lavoro della specialista del poligrafo dell'NCIS. Mentre Gibbs e l'agente dell'FBI Fornell stanno parlando con la ragazza c'è un'esplosione in cui muoiono tutti i lavoratori. Così l'unica sopravvissuta diventa una possibile sospettata.

Gibbs deve affrontare le conseguenze delle sue azioni e ancora una volta si reca in Messico dove è costretto a prendere una decisione che avrà grosse ripercussioni sulla sua vita.

Il padre di Ziva, Eli David, è a Washington per partecipare a una conferenza dell'NCIS. Nel frattempo dei contrabbandieri vengono trovati cadaveri nelle acque dei Caraibi. Si scopre che ad ucciderli sono stati dei terroristi palestinesi che danno la caccia proprio al padre di Ziva e che usavano quella nave per entrare clandestinamente negli Stati Uniti. DiNozzo, McGee, Ziva e un paio di agenti del Mossad sono incaricati di proteggere Eli David. L'episodio si conclude con l'apparente fallimento dell'attentato alla conferenza, e con Vance e David che vengono mandati in una casa sicura. Gibbs tuttavia non riesce a contattare Hadar via radio. (Si tratta della prima parte di un episodio doppio).

Gibbs arriva al rifugio segreto trovandolo semidistrutto; Hadar è morto, Vance gravemente ferito mentre Eli risulta disperso. Alla fine, la squadra rintraccia Eli, che si era nascosto per eludere i suoi assassini. Deducono che l'uomo che ha piazzato le bombe sia all'interno dell'NCIS e che in realtà voleva uccidere Vance. L'attentatore si rivela essere Riley McCallister, il capo della sezione NCIS di San Diego, poiché in passato Vance ed Eli gli hanno rovinato la sua scalata al posto di direttore e tenta di ucciderlo dandogli una dose letale di morfina, ma Vance riesce a ferirlo a morte con un coltello. Prima di ritornare in Israele, Eli si riconcilia con Ziva.

Si scopre che un ex assistente-investigativo dell'NCIS, trovato brutalmente pugnalato a morte, vendeva i dettagli su come rubare un magazzino pieno di beni preziosi. La nostra squadra apprende che il magazzino contiene oggetti sequestrati ad un ex ufficiale della Marina (JoBeth Williams), condannata per aver truffato migliaia di risparmiatori utilizzando uno schema Ponzi e trasferendo i soldi in conti esteri, non ancora rintracciati dalle autorità. Mentre indaga sul magazzino, la squadra scopre che è stato rubato un misterioso oggetto da uno scomparto segreto della scrivania appartenuta all'ex-ufficiale. Per trovare l'assassino, Gibbs fa un patto con quest'ultima promettendole gli arresti domiciliari in cambio della sua identità. Alla fine di dimostra essere una manovra di Gibbs per attirare fuori il vero assassino, l'ultimo di una banda di ladri che ha perso i suoi soldi cercando di riciclarli attraverso conti dell'ufficiale. Questa, una volta arrivata a casa, recupera l'oggetto misterioso, che altro non è che il suo taccuino contenente i conti bancari dove ha nascosto i soldi e scappa per sfuggire all'assassino, violando così gli arresti domiciliari. Gibbs e Ziva arrivano sul posto, arrestando sia il killer e l'ufficiale e al tempo stesso ricevendo le prove di cui avevano bisogno per mandarla in prigione a vita. Nel frattempo, causa tagli di bilancio personale NCIS, la squadra operativa di stanza in Spagna viene trasferita a Washington DC. Tony si infatua subito del leader del nuovo team, un'avvenente donna cui è stato dato l'incarico dopo che Tony lo rifiutò quando il direttore Shepard glielo offrì, la quale sembra ricambiare.

L'NCIS viene posto in massima allerta quando viene provato che il killer dei porti si è infiltrato nell'agenzia.