Après l'explosion du quartier-général du NCIS, chacun tente de retrouver ses esprits. Alors que Ziva et DiNozzo se retrouvent ensemble enfermés dans l'ascenseur, McGee ne réalise même pas qu'il a été blessé à l'abdomen. De son côté, Palmer est au chevet du Dr Mallard, hospitalisé à la suite de son arrêt cardiaque. Pendant ce temps, Gibbs et son commandement cherchent le moyen de neutraliser définitivement Dearing.

Le corps de Margaret Watkins, membre du NCIS, disparue depuis l'attentat, est retrouvé dans une voiture, au fond de l'eau. Tout le monde est sous le choc car la victime était très appréciée. Lorsque l'autopsie révèle qu'elle a été tuée, toute l'équipe se mobilise pour trouver son assassin. Dans le même temps, les agents doivent subir une évaluation psychologique de la part du docteur Miles Wolf.

Sans en parler à Gibbs, Ducky demande l'exhumation du corps d'un marine dont il avait fait l'autopsie douze ans plus tôt. A l'époque, il avait diagnostiqué une mort accidentelle provoquée par un fort taux d'alcoolémie. Mais de nouveaux éléments lui font craindre qu'il s'agirait plutôt d'un meurtre. Toute l'équipe l'épaule sur cette enquête, d'autant qu'un nouvel assassinat pourrait être lié à cette ancienne affaire

Un hélicoptère de la marine s'abîme en mer alors qu'il effectuait un entraînement de routine. Les membres de l'équipage mettent plusieurs jours à réapparaître sur un canot de sauvetage, à l'exception du pilote, introuvable.Son corps finit par s'échouer sur la plage… une balle dans la tête ! L'agent Borin, désormais en charge des garde-côtes, collabore à cette enquête. De leur côté, Tony et McGee s'amusent à tourmenter Ziva.

L'équipe enquête sur l'assassinat d'un jeune sous-officier, tué par balles alors qu'il était au volant d'une Ferrari. Gibbs se rend chez un prêteur sur gages où l'arme aurait été vendue. Sur place, il trouve par hasard la médaille du mérite du meilleur ami de son père qui porte le même nom que lui. Gibbs décide de reprendre contact avec lui pour comprendre pourquoi il est fâché avec son père depuis trente ans.

Un Marine est retrouvé mort et un autre, à proximité, complètement déboussolé... Ce dernier, le Capitaine Joe Westcott, encore sous le choc, explique que son camarade et lui ont été attaqués la veille au soir par une bande, apparemment sans raison. Mais très vite, les premiers résultats des analysés réalisées par Ducky et Abby sur le corps de la victime contredisent quelque peu sa version. Le comportement particulièrement agité de Wescott n'arrange rien mais révèle peut-être justement un syndrome de stress post-traumatique. Reste à savoir qui ou quoi a déclenché sa crise... et surtout à découvrir qui a tué le Lieutenant Michael Torres.

Victime du syndrome de stress post-traumatique, Wescott est proche du point de rupture et Gibbs perd peu à peu prise avec lui. Malheureusement l'horloge continue de tourner : Randall Kersey reste toujours introuvable et aucune piste sérieuse ne permet d'avancer sur l'attentat en préparation. Encore fragmentaires, les souvenirs de Wescott permettent néanmoins de remonter jusqu'à une mystérieuse jeune femme à qui Kersey aurait remis un document. Cette dernière est peut-être le seul espoir de mettre la main sur le terroriste et d'entraîner Wescott sur le chemin de la guérison...

L'équipe du NCIS enquête sur l'enlèvement d'une adolescente et du meurtre d'un commandant de Marine, alors que ce dernier essayait d'arrêter les ravisseurs.

Ziva et Abby s'occupent de Lydia, témoin de l'enlèvement de sa meilleure amie et du meurtre de son père.

Alors qu'il n'a que 48h pour boucler l'enquête, Gibbs s'adresse à une vieille connaissance, Miranda Pennebaker (Alex Kingston), une femme aux relations haut placées mais de réputation quelque peu douteuse.

Tony ne peut pas cacher sa jalousie quand il apprend que Ziva fait des projets avec un homme mystérieux.

L'agent Fornell échappe miraculeusement à une tentative d'assassinat par un Marine qu'il parvient à abattre. Chargé de l'enquête, Gibbs se rend avec l'agent fédéral dans le bar qui employait le tireur, où tous deux tombent avec stupéfaction sur leur ex compagne commune : Diane Sterling. Devenue agent sous couverture pour le fisc, celle-ci enquête sur une vaste fraude et doit s'efforcer de collaborer avec ses deux ex maris…Les rumeurs vont bon train au sein de l'équipe après qu'elle a passé la nuit chez McGee.

Un homme et son fils trouvent une oreille humaine au cours d'une partie de pêche. Appelés sur place, les policiers trouvent un corps au fond du lac, vêtu d'une veste miliaire dont les poches sont remplies de cailloux. Rapidement, Gibbs découvre qu’il ne s'agit pas d'un soldat mais d'un journaliste chargé de reportages non-officiels sur les membres du gouvernement. Il avait récemment réalisé des photos sur la contrebande d'opium dans les bases militaires.

Alors que les instances supérieures de l'armée diligentent une enquête sur le double assassinat du père de Ziva et de Jackie, Ziva ne songe qu'à la vengeance. De son côté, Leon surprend le directeur-adjoint Jerome Craig dans son bureau. Mais Vance rêve de venger le meurtre de son épouse et refuse d'être écarté de l'enquête. Gibbs et son équipe, très secoués, sont déterminés à retrouver les responsables de cette tuerie.

Deux hommes d'un certain âge signalent une voiture accidentée au bord de la route dont les deux passagers, parmi lesquels se trouve un marine, sont décédés. Donald est persuadé qu'il s'agit d'un double meurtre. Plusieurs détails de l'affaire rappellent à Abby une enquête qu'elle avait faite alors qu'elle n'était encore qu'une enfant pour retrouver une fillette qui avait perdu son ours en peluche au cours d'un accident.

Au cours d'une mission, Gibbs et son équipe parviennent à capturer Ajay Khan, l'un des cybercriminels les plus recherchés des Etats-Unis. Gibbs l'interroge pour tenter de connaître l'identité de son patron. De leur côté, McGee et Abby tentent en vain de pirater son ordinateur. Néanmoins, ils parviennent à noter l'adresse d'un entrepôt provenant de son disque dur. Sur place, Ziva et DiNozzo trouvent un cadavre.

Un marine perd connaissance au cours d'un entraînement intensif et décède peu après. En observant les nombreuses blessures qu'il a sur le corps, Mallard acquiert la conviction qu'il a été passé à tabac. En épluchant ses mails, McGee comprend qu'il cherchait à se protéger d'une mystérieuse attaque. De son côté, Leon Vance fait une découverte surprenante en clôturant les comptes bancaires de sa défunte épouse.

L'équipe se rend à Richmond où un lieutenant de la marine a trouvé la mort en absorbant volontairement un liquide toxique. L'autopsie indique qu'il était sur le point de mourir à cause d'une plaie provoquée par une balle. En rapportant le corps dans une fourgonnette, Jimmy et Mallard sont attaqués par deux individus, qui les enlèvent et les séquestrent. L'équipe met tout en œuvre pour les retrouver.

Frankie Dean, coiffeur et ami de Gibbs, lui confie qu'il soupçonne son propre fils d'être le Tueur à la rose. Ce psychopathe, qui sévit depuis plusieurs années, vient de commettre un nouveau meurtre dont la victime est une jeune strip-teaseuse. Jethro lui promet de faire des recherches pour apaiser ses doutes. Il demande alors à Mallard de se servir de ses bonnes relations avec le légiste chargé de l'affaire pour récolter des informations.

Ruby Lemere débarque bouleversée au siège du NCIS pour demander de l'aide. Son mari est mort deux jours plus tôt à Kaboul, tué officiellement par des Talibans, mais la jeune femme ne croit pas au rapport du légiste. McGee et Ziva s'entretiennent à distance avec son coéquipier qui ne remet pas en cause la version de l'armée. Cependant, Gibbs prend les remarques de Ruby au sérieux et décide de partir sur les lieux du drame.

Au cours d'une tempête très violente, le commandant de bord d'un navire américain est retrouvé mort sur le pont. Les observations de Mallard prouvent rapidement qu'il s'agit d'un assassinat. L'amiral, présent sur le bateau, se trouve être John McGee, le père de Tim. Les deux hommes ne se sont pas vus depuis longtemps et leurs rapports extrêmement tendus ne facilitent pas l'enquête. L'agent Burley participe à cette affaire sensible.

L'équipe est sollicitée pour enquêter sur la disparition du mari d'un officier de la marine. D'après les indices et les traces de sang retrouvés à son domicile, la victime, un agent immobilier, semble avoir lutté avec son agresseur avant d'avoir été enlevé. McGee trouve un de ses doigts dans la poubelle de sa cuisine. Parallèlement, Vance découvre que Ziva fait des recherches non officielles sur le meurtrier de son père.

Avec la bénédiction de Gibbs, Ziva et DiNozzo partent pour Berlin, où ils pensent avoir localisé Ilan Bodnar. Ziva est persuadée qu'il y possède un compte où sont rassemblés ses biens, notamment des diamants issus de trafics. Parallèlement, Orli Elbaz, qui dirige désormais le Mossad, informe Vance que l'un de ses agents sous couverture a été assassiné dans un parking en Virginie. Un groupe d'agents israéliens dissidents serait responsable de ce meurtre.

Blessés, Tony et Ziva rejoignent le reste de l'équipe aux États-Unis, où ils sont hospitalisés. Ils sont interrogés sur les activités de Yaniv qui a été arrêté par des agents fédéraux. Gibbs va à l'encontre d'un ordre de la Sécurité intérieure en continuant à poursuivre Ilan Bodnar afin que Ziva puisse enfin accomplir sa vengeance. Grâce à ses analyses informatiques, McGee parvient à localiser le malfrat israélien à New York.

Vance reçoit la visite de Richard Parsons, un avocat indépendant diligenté par la Sécurité intérieure, qui souhaite se pencher sur le double assassinat de Jackie et Eli David. Il décide alors de suivre l'équipe qui enquête sur un quartier-maître, faisant l'objet d'une surveillance suspecte. Sa présence intrusive devient vite pesante pour les agents, notamment Ziva qui est troublée par ses questions d'ordre personnel.

Pendant plusieurs jours, Gibbs fait l'objet d'un interrogatoire poussé, mené par Richard Parsons. Ce dernier ne se contente pas de vouloir éclaircir les meurtres commis par Ilan Bodnar, mais souhaite déterrer tous les secrets, enfouis par l'agent lors de sa carrière. Tom Morrow et Vance comprennent que l'enquêteur en fait une affaire personnelle. De son côté, l'équipe du NCIS fait l'impossible pour aider Gibbs.