Un ufficiale della marina addetto alla custodia della nuclear football muore a bordo dell'Air Force One dopo aver pranzato con il presidente, apparentemente per un ictus cerebrale. Il coroner impedisce la rimozione del cadavere fino all'analisi del medico legale, mentre l'agente dei servizi segreti Kate Todd (in servizio di sicurezza sull'aereo) e l'agente FBI Tobias Fornell litigano sulla competenza del caso. Arriva quindi il dottor Mallard, con Gibbs e DiNozzo che si fingono suoi assistenti. Fatti scendere gli agenti FBI dall'aereo, Kate scopre che i tre non sono della polizia locale ma Gibbs la convince a collaborare con l'NCIS e lei fa partire il velivolo verso Washington. In volo iniziano le indagini, senza successo. L'autopsia e le analisi che seguono non rilevano tossine e la morte sembra un ictus naturale. Gibbs non è convinto e chiede a Kate di farlo imbarcare per il proseguimento del volo presidenziale, che durante le indagini continua sul velivolo di riserva. La scoperta della morte con gli stessi sintomi di un altro ufficiale al momento in malattia, anch'egli addetto alla valigetta e che aveva una storia con Kate, spinge ad analisi speciali che rilevano una tossina che provoca l'ictus. Gibbs intuisce che l'omicidio potesse essere parte di un attentato, costringendo a spostare il presidente sul velivolo di riserva, nel quale è più facile accedere all'armeria. Mentre un'altra emergenza medica crea confusione a bordo, Gibbs ferma un giornalista che ha preso un'arma e cerca di avvicinarsi allo studio del presidente. Al termine della missione, Kate si dimette dai servizi segreti per avere violato la regola che impedisce relazioni sul lavoro, e viene invitata da Gibbs a entrare nell'NCIS.

Durante un'esercitazione di lancio, il paracadute di un marine non si apre e l'uomo si schianta sul tettuccio della macchina parcheggiata di due adolescenti che si erano appartati in un luogo tranquillo in cerca di intimità. Il team NCIS raggiunge la scena del crimine per determinare se la morte del marine sia stata accidentale o se si sia trattato di un omicidio. Alla squadra si aggiunge l'agente Todd.

Il corpo di un comandante della marina viene portato a riva dalle onde, insieme a quelli di due trafficanti di droga. Ma l'agente speciale Gibbs si rifiuta di credere che l'ufficiale ucciso sia implicato in qualcosa di sporco.

Il team NCIS viene chiamato a investigare sul ritrovamento sul fondo dell'oceano di un giovane marinaio in alta uniforme, con tanto di spada cerimoniale. Presto scoprono che il giovane era fissato con un gioco di ruolo in stile “Wizards and Warriors” e così devono capire quanto avanti si spingeva la sua ossessione con li gioco e fino a dove sarebbe stato disposto ad arrivare per vendicarsi del suo arcinemico, un altro marinaio suo collega.

L'NCIS viene chiamata a investigare su un corpo mummificato trovato all'interno di un aereo. Ben presto scoprono che il marinaio era addetto ai pagamenti di una nave e che questi aveva rubato.

Due militari della marina della stessa nave vanno in overdose da metanfetamine, a dispetto del fatto che affermino di non aver mai fatto uso di droghe.

Gibbs e Todd indagano sulla possibilità che ci sia un impostore a bordo di un sottomarino nucleare. In questo episodio compare per la prima volta l'agente Timothy McGee, appena assunto dall'NCIS.

Una morte misteriosa conduce Gibbs a Guantanamo Bay, Cuba, dove la squadra fa conoscenza con l'Agente speciale Paula Cassidy.

Una donna riemersa dalla tomba dopo essere stata sepolta viva, attira l'attenzione di Gibbs e della sua squadra quando, pur soffrendo di amnesia, dice di ricordare qualcosa in merito a una bomba nascosta su una nave militare.

Un operatore della CIA assiste involontariamente all'omicidio di un ufficiale, mentre utilizza un satellite per spiare una donna nuda che prende il sole in una base della marina. Il giovane segnala anonimamente il fatto, ma con l'aiuto di McGee la squadra di Gibbs lo individua e convince la CIA a fornire i dettagli per evitare lo scandalo, in quanto l'agenzia non è autorizzata ad operare in suolo statunitense. La vittima stava collaudando l'unico prototipo esistente di un nuovo sonar manuale e si ritiene che il fabbricante possa essere coinvolto, in quanto il prototipo non era perfetto e la sua scomparsa avrebbe fornito un pretesto per guadagnare tempo senza far saltare il contratto con la marina. Gli indizi portano però Gibbs a sospettare della moglie della vittima e con l'aiuto di un satellite spia, manovrato da un amico di Abby che lavora alla NASA, la squadra la segue fino al nascondiglio dove essa aveva occultato le prove dell'omicidio.

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.

Un cecchino sta uccidendo i reclutatori dei marines. Gibbs come reclutatore e Kate come capitano, si travestono da marines per fare da esca, sperando che avrebbe tentato di uccidere Gibbs e catturarlo. La trappola funziona. il cecchino si scopre essere un uomo che tempo prima era stato rifiutato dai marines e ora uccideva i reclutatori per vendetta personale.

I corpi nudi e legati di giovani ufficiali della marina vengono scoperti nei pressi della strada che porta a Norfolk. La Squadra deve indagare assieme allo sceriffo locale, i primi sospetti portano alla moglie della seconda vittima che però ha un alibi, le indagini proseguono e scoprono che la prima vittima ha sporto un reclamo contro una collega per molestie sessuali. La dottoressa in questione è anche il medico della prima sospettata e quando si scoprono ulteriori indizi e prove si arriva ad una sorprendente verità.

L'ex ufficiale comandante di Gibbs, assente senza permesso dall'Iraq, ottiene il suo aiuto per svelare un pericoloso complotto.

Un terrorista sconosciuto entra nella sala autopsia dell'NCIS in un sacco per cadaveri e, senza farsi notare, prende in ostaggio Ducky e l'assistente Gerald. Il terrorista obbliga Ducky a far credere che la sala autopsie sia isolata per rischio infezione e chiede di farsi consegnare le prove sequestrate dalla squadra dopo la morte di un altro terrorista, ucciso da Gibbs. Kate su richiesta del dottore porta i reperti in sala autopsia e viene anch'essa rapita, inoltre l'infiltrato spara a Gerald nella spalla per obbligare i suoi ostaggi a collaborare. Gibbs intuisce la presenza di problemi e, individuato l'intruso, richiede l'intervento della squadra HRT. Il misterioso terrorista invita Gibbs in sala autopsie e provoca uno scontro a fuoco nel quale ferisce l'agente e viene colpito due volte al petto. Riesce però a salvarsi grazie ad un giubbotto antiproiettile e fugge nella confusione seguente l'irruzione della squadra speciale, grazie anche alla complicità di alcuni membri dell'HRT.

Il corpo senza vita di un giovane ufficiale viene ritrovato nei bagni di una festa rave clandestina, e si scopre che il giovane è stato investito nel parcheggio antistante. Gibbs trova una somma di contanti sproporzionata nell'appartamento della vittima, che era stato perquisito infruttuosamente da ignoti prima dell'arrivo degli agenti. I commilitoni che erano con lui alla festa raccontano di averlo visto andare via con una donna, ma l'indagine stagna e Gibbs porta la squadra a riesaminare con più accuratezza lo spazio circostante il parcheggio del locale dove si è tenuto il rave. Si scopre che la vittima era mascherata mentre è stata investita, e stava facendo uno scherzo ad uno dei commilitoni, con la complicità degli altri. Mentre l'obiettivo dello scherzo era appartato in auto con una squillo loro complice, la vittima si è avvicinata all'auto mascherata da alieno e il giovane in macchina, in preda al panico, ha tentato di fuggire investendolo. Sembrerebbe un incidente, ma Gibbs scopre che l'omicida sapeva della cifra in possesso del morto e che aveva in realtà architettato lo scherzo verso sé stesso, per avere un'occasione di uccidere il commilitone e impadronirsi dei soldi, una eredità che la vittima aveva da poco ricevuto.

Un ex Navy SEAL, condannato per aver ucciso sua moglie e un antennista che era in casa con lei, evade da Leavenworth. La squadra di Gibbs, con l'aggiunta di McGee, mette sotto sorveglianza la casa dei genitori, con i quali si trova il figlio dell'evaso, ma questi di notte riesce a sorprendere e immobilizzare Kate, senza farsi notare da McGee all'esterno, per passare del tempo con il figlio. Quando McGee lancia l'allarme e libera Kate, i due riescono a ferire il fuggitivo, ma non a catturarlo. Kate è convinta che il ricercato sia innocente, e indagando sul passato di sua moglie capiscono che il motivo dell'omicidio sia il tradimento di quest'ultima non con l'antennista, ma con la moglie del comandante di suo marito, e che l'omicidio sia stato commesso proprio dal comandante. La squadra tende una trappola al fuggitivo, con Kate che impersona la moglie del comandante e fa da esca, fermando l'evaso prima che possa ucciderla per vendicarsi.

Il cadavere dell'agente speciale dell'NCIS Christopher Pacci viene ritrovato nell'ascensore di un palazzo, ucciso da un colpo di pistola al collo e poi sventrato. Pacci aveva chiesto in precedenza l'aiuto di Gibbs su un vecchio caso, ma questi era troppo impegnato per aiutarlo: si scopre che l'agente aveva chiesto a McGee il fascicolo sul tenente Hamilton Voss, il quale aveva sottratto alcuni milioni alla marina ma risultava essere morto prima del processo. L'indagine rivela che Pacci, quando è stato ucciso, stava pedinando una donna di nome Amanda Reed, le cui foto erano in una scheda SD rinvenuta nel suo esofago. La squadra mette sotto osservazione la casa della donna e Dinozzo la avvicina, flirtando con lei per avere informazioni. Le analisi di Abby rivelano che lei e il tenente Voss (il quale evidentemente non era morto) sono la stessa persona: DiNozzo viene avvisato mentre si trova con l'uomo travestito da donna in un pub e tenta di fermarla dopo averlo baciato, ma di fronte alla pistola gli avventori del locale immobilizzano sia lui che McGee, mentre cerca di soccorrere Tony. Amanda/Voss estrae la pistola dalla borsa e cerca di dileguarsi, all'ingresso viene bloccata da Gibbs che le sbuca innanzi puntandole la pistola alla testa, dicendole il nome dell'agente che aveva brutalmente ucciso e il fatto che fosse un suo amico. Al suo tentativo di reazione, Gibbs per legittima difesa le spara in testa a bruciapelo uccidendola. Alla fine dell'episodio Kate prende in giro Dinozzo per aver baciato un uomo.

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.

Un marine viene ritrovato ucciso da un'arma anticarro e le indagini conducono l'NCIS ad un gruppo di milizia territoriale.

Un Navy SEAL cade da una scarpata a causa della rottura di un moschettone sostituito con uno debole. Un omicidio, alla vigilia di una missione top secret di primaria importanza. L'NCIS ha meno di due giorni per trovare il colpevole e capire se la missione è stata sabotata nel cui caso deve essere annullata.

La determinazione di Gibbs nel rintracciare il terrorista che aveva sequestrato Ducky, Kate e Gerald (ferendo quest'ultimo) diventa l'ossessione dell'intera squadra. Grazie ai dettagli notati dal dottor Mallard mentre era tenuto in ostaggio (parlata inglese, conoscenze mediche), McGee affina le ricerche e riesce ad individuarlo in un database di laureati in medicina in Inghilterra: è un israelo-palestinese di nome Ari Haswari. Questi intanto si trova a Washington con un gruppo terroristico, che progetta di costringere ad un atterraggio di emergenza il Marine One per sequestrare il presidente degli Stati Uniti. Allo scopo Ari fa rapire Kate, le cui conoscenze sulla sicurezza presidenziale serviranno a distinguere l'elicottero presidenziale dagli altri due identici velivoli del HMX-1 che lo accompagnano. Mentre i due si trovano insieme nella base del gruppo e i complici sono partiti, Ari uccide l'unica terrorista rimasta con loro e rivela a Kate di essere un agente infiltrato del Mossad. Il gruppo terroristico viene fermato e Ari, prima di tornare in Medio Oriente, accetta l'invito di Gibbs per un incontro faccia a faccia nella sala autopsie dell'NCIS dove, dopo un breve confronto, l'ex marine desideroso di vendetta gli spara ad una spalla, sostenendo che renderà la sua copertura più credibile quando tornerà da Al-Qaida.