In un paesino della West Virginia viene ritrovata la gamba di un marine, che agli atti risulterebbe però essere morto due anni prima. La dottoressa del paese l'aveva visto morire d'infarto ed essendo medico legale, non aveva ritenuto necessaria l'autopsia e aveva consentito la cremazione del cadavere, che era stato inoltre identificato dalla sorellastra della vittima. La scoperta della scomparsa di un commilitone della vittima, due anni prima, e dell'esistenza di un'assicurazione sulla vita a carico del marine fanno però sospettare una truffa. Durante la perquisizione dell'abitazione la dottoressa viene trovata in casa della sorellastra della vittima, e quest'ultima confessa: il medico era in realtà sua madre e aveva organizzato la truffa assicurativa, uccidendo e facendo cremare il commilitone due anni prima, e uccidendo di recente il figliastro. Quasi tutte le parti restanti del cadavere vengono rinvenute tra i rifiuti nei paesi vicini.

Indagando sulla scomparsa di un marine artificiere esperto anche di bombe nucleari, si scopre che negli anni precedenti sono scomparsi quasi tutti i membri della squadra nella quale operava quando era alle Filippine, molti anni prima, ma i casi sono stati tutti archiviati come diserzione e mai collegati fra loro. Un membro della squadra congedato dai marine è stato trovato dalla polizia alcuni anni prima nelle fognature, morto e incatenato. L'unico ancora vivo è l'attuale superiore dello scomparso, che si sospetta sia l'assassino. Mentre Tony lo pedina, viene anch'egli rapito e portato insieme allo scomparso, che è incatenato nelle fognature in compagnia di un cadavere in avanzato stato di decomposizione. Il superiore scende nella fognatura e viene raggiunto dall'NCIS, ma si scopre che non è il colpevole ed è lì solo per cercarli e salvare il marine. Viene colpito davanti a Tony dalla vera assassina, una donna in cerca di vendetta: era infatti l'unica superstite di un gruppo di donne fidanzate dei soldati scomparsi, imbarcate clandestinamente in un container da questi ultimi al tempo dell'abbandono dell'arcipelago e morte di inedia durante il viaggio a causa della negligenza dei militari.

Una veterana della guerra in Iraq, il capitano Michaela Shields, sfugge ad un attentato che si presume organizzato da un gruppo di terroristi. L'FBI indaga sui terroristi mentre l'NCIS è incaricato di proteggerla, dunque la squadra di Gibbs organizza un servizio di sorveglianza della loro casa. La donna sfugge a un secondo attentato esplosivo, molto più rudimentale, e la cellula terroristica viene neutralizzata dai federali. La squadra di Gibbs scopre però che il secondo attentato era stato organizzato da una vicina, amante segreta del marito che era stata lasciata da quest'ultimo, la quale viene uccisa dal capitano quando entra armata nella loro casa dopo la dipartita degli agenti, cercando di completare il suo piano delittuoso.

Un Marine precipita da una rupe e la sua fotocamera registra la caduta. I primi sospettati sono la moglie e il suo migliore amico con i quali era in campeggio. Gibbs scopre che erano amanti e cerca di metterli a confronto, uno contro l'altra. Nel frattempo, Abby riesce a recuperare il filmato dalla videocamera che si era danneggiato nella caduta e scopre che un precedente sospettato, ormai rilasciato, era nelle vicinanze al momento della morte.

La squadra indaga su un caso di suicidio, ritenendo che un esaurimento nervoso fosse la causa della morte. Durante l'autopsia, Ducky si accorge che in realtà si tratta di omicidio. Alle indagini collabora l'Agente Speciale dell'FBI Fornell. Gibbs e i suoi ragazzi scoprono che la donna morta è coinvolta in un triangolo amoroso e che questo può aver contribuito alla sua morte.