La Marina degli Stati Uniti è nel mirino dei terroristi. Durante le indagini per scoprire quali segreti siano in loro possesso viene ritrovato nella bocca di un agente in prova, nascosto in un dente, un microcomponente in grado di rendere vulnerabili ad attacchi informatici i potenti computer della Marina. Jimmy Palmer, intanto, in procinto di sposarsi è alle prese con la festa per l'addio al celibato.

L'NCIS è ancora alle prese con le indagini per scoprire chi sono i terroristi che minacciano seriamente la Marina statunitense. La squadra dell'NCIS è ormai sulle tracce del capo dei terroristi, ma non riesce a localizzarlo. L'importanza delle indagini coinvolge tutti i componenti dell'NCIS e perciò viene suggerito a Jimmy Palmer di spostare la celebrazione delle sue nozze in un luogo più vicino. Durante il rito una potente bomba esplode di fronte al quartier generale dell'NCIS. Tutti vengono coinvolti dalla deflagrazione, tranne il dottor Mallard che apprende la notizia sulla spiaggia dove passeggiava dopo le nozze di Palmer. Sconvolto, viene colto da infarto e si accascia sulla sabbia.

Dopo l'attacco terroristico nel cuore dell'arsenale della Marina, con cui si è conclusa la precedente stagione, la squadra di Gibbs conta le perdite. L'agente speciale Leroy Jethro Gibbs è alla ricerca di vendetta perché l'attentatore, Harper Dearing, «ha fatto del male alla [sua] famiglia». L'uomo viene infine raggiunto da Gibbs nell'abitazione dove aveva cresciuto il figlio defunto. Dearing muore ucciso da Gibbs, quando pare che voglia sparare a quest'ultimo. Ducky, in convalescenza dopo un infarto, ritorna a Washington DC, da cui si era allontanato per partecipare al matrimonio del suo assistente, Palmer.