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.

Abby è torturata dagli incubi. Uno psicologo della marina è stato incaricato di sottoporre la squadra di Gibbs ad una valutazione psicologica post trauma per via dell'attentato alla sede dell'NCIS. Una addetta all'armeria, Margaret, scomparsa dall'evacuazione il giorno dell'attentato, viene ritrovata in fondo a un lago nella sua macchina, assassinata. Gibbs e la squadra lavorano al caso mentre un irascibile Vance cerca di riportare tutto ossessivamente com'era prima dell'esplosione Le ricerche conducono dopo una falsa pista all'armeria, ma non sarà esattamente lì che il caso troverà una definitiva soluzione. Ducky darà il suo contributo alle ricerche del caso finendo poi per arrabbiarsi con Palmer ed abbandonare la sala autopsie molto stizzito. Abby invece, sullo sfondo di questa storia, per trovare pace dagli incubi, viene convinta da Gibbs a ricontattare il fratello biologico: ciò la aiuterà a riappacificarsi con se stessa e con i suoi incubi.

Il dottor Mallard ordina la riesumazione di un comandante della Marina, il cui corpo era stato protagonista di un caso di dodici anni prima, mentre la squadra è impegnata nelle indagini della morte recente di un marine. La squadra scoprirà presto che i due casi sono direttamente collegati.

La squadra è chiamata per il ritrovamento di tre componenti di un equipaggio di un elicottero ipoteticamente precipitato. Il quarto componente dell'equipaggio è ancora disperso. Grazie all'aiuto dell'agente Borin la squadra di Gibbs capisce che possa esserci qualcos'altro sotto alla "sparizione" dell'elicottero. Durante le ricerche dei resti del velivolo Tony e McGee ritrovano il cadavere del pilota assassinato con un colpo in testa. La trama si infittisce quando uno dei tre superstiti possiede l'arma che sembra essere quella del delitto.

Un sottufficiale assassinato a colpi di pistola viene ritrovato nella Ferrari di un miliardario. Gibbs e la sua squadra riescono a rintracciare la pistola usata per l'omicidio in un banco dei pegni locale, e Gibbs trova una Medaglia d'Onore del Congresso in mostra, nonostante il fatto che la vendita della medaglia è illegale. Il proprietario del negozio rivela che ha comprato la medaglia da un veterano anziano che aveva bisogno di soldi; Gibbs scopre che il precedente proprietario era Leroy Jethro Moore, un caro amico di suo padre. Scopre da suo padre che LJ ha permesso alla madre di Gibbs di suicidarsi per overdose di droga al fine di porre fine alla sua sofferenza da cancro terminale , cosa che il padre di Gibbs non gli aveva mai perdonato. Ulteriori indagini rivela che il defunto sottufficiale ha lavorato part- time come cameriere, e ha rubato l'auto sportiva per una piacevole gita. Il gruppo rintraccia l'assassino, uno studente universitario locale. Il suo vero obiettivo era il proprietario effettivo della vettura, il quale ha rubato una sua idea per una rete di filesharing, e il sottufficiale è stato ucciso per errore. Nel frattempo, il padre di Gibbs e LJ si incontrano per la prima volta dopo anni, e Jethro li convince a porre fine alla loro faida, sottolineando che tutti e tre hanno condiviso un terreno comune nel loro amore per la madre Gibbs. Suo padre e LJ infine si riconciliano e rinnovano la loro amicizia. LJ decide anche di tornare a Stillwater, ora che la faida è finita.

Un tenente della marina tornato in patria dal Medio Oriente viene ritrovato assassinato e il team interroga l'amico della vittima, il capitano Joe Wescott. Gibbs si rende conto che il capitano soffre di PTSD ma sa anche che la sua esperienza oltremare può svelare dettagli importanti collegati all'omicidio.

Gibbs continua a lavorare con il Capitano Wescott per aiutare il team a catturare un terrorista. Abby è presa dall'aria di festività con l'arrivo del Giorno del Ringraziamento. Tony scopre che Ziva sta organizzando una serata speciale.

Il team sta indagando sul rapimento di una ragazzina e Ziva ed Abby lavorano a stretto contatto con l'unico testimone presente durante l'aggressione. Gibbs chiede aiuto a Miranda Pennebaker, una donna con agganci in ogni ambiente ma dalla morale discutibile. Tony intanto è geloso quando scopre che Ziva sta facendo dei piani per uscire con un uomo misterioso.

Gibbs collabora con l'agente Fornell, dopo che quest'ultimo è sfuggito ad un tentato omicidio, per sventare una truffa finanziaria in cui sembra coinvolta Diane, ex moglie dei due agenti, che però è un'ispettrice del Dipartimento del Tesoro che sta indagando sotto copertura.

Indagando su la morte del marito di un marine, viene a galla una truffa alla zecca di milioni di dollari; intanto in occasione del Natale il padre di Tony arriva a Washington.

Durante una battuta di pesca un padre e un figlio ritrovano il corpo di un ufficiale della marina. Nel frattempo il direttore del Mossad, Eli David, giunge segretamente a Washington, apparentemente per ricucire il rapporto con Ziva. La stessa Ziva informa Gibbs che suo padre è in città e che non ne sa il reale motivo. Gibbs e il direttore Vance intercettano Eli e Ziva vicino all'Hotel dello stesso Eli dove questi presenta ai tre un suo amico d'infanzia dei VEVAK (servizi segreti iraniani) con il quale Eli intende collaborare per la pace in medio oriente. L'indagine sull'omicidio del militare, porta al padre di Ziva, che ne riconosce gli abiti in una foto.Temendo che il padre non sia a Washington per lei, ma solo per affari e sapendolo colpevole dell'omicidio Ziva gli chiude ogni possibilità di ricucire il loro rapporto. Come "ultima" richiesta Eli David chiede a Ziva di cenare con lui a casa del direttore Vance. Durante la cena Eli David e Jackie, la moglie del direttore Vance, vengono colpiti da una raffica di mitra mentre sono riuniti tutti a tavola. Ziva insegue l'omicida, aiutata da Gibbs che nel frattempo l'ha raggiunta; l'uomo si suicida però prima di rivelare qualsiasi informazione. Eli è morto sul colpo mentre Jackie muore dopo una lunga operazione.

Dopo la morte di Eli David direttore del Mossad, la figlia Ziva viene condotta a Casa di Tony per proteggerla, mentre gli altri indagano per trovare Bodnar, il killer che ha ucciso (così si sospetta per certo) il direttore del mossad. Anche la moglie del direttore Vance viene coinvolta nella sparatoria e muore il che porta il direttore a un ritiro momentaneo, al suo posto vi è il Vice Direttore Craig.

Viene trovata una macchina in fondo ad un burrone con dentro un uomo e una donna. Gibbs e la squadra indagano e all'apparenza sembra un incidente, ma le prove e gli indizi raccolti dimostrano che si è trattato di un duplice omicidio. Riaffiorano le insicurezze di Abby mentre torna con la memoria al suo primo insuccesso.

La squadra cattura un hacker professionista, secondo della lista dei cyberterroristi più ricercati d'America e responsabile di un attacco informatico al MTAC, provocando la morte di un agente sotto copertura. La squadra è interessata ad interrogarlo per il collegamento con un altro hacker che è identificato solo come " MC ". Analizzando il computer dell'hacker, Ziva e Di Nozzo esplorano un magazzino e trovano le prove di una bomba contenente il virus ebola. Per far parlare l'hacker, Ziva e Di Nozzo lo trasferiscono a Guantanamo Bay, nel tentativo di intimidirlo, minacciando di metterlo con i terroristi che in precedenza aveva tradito. Tuttavia, una volta arrivati, la sicurezza del carcere viene compromessa da un attacco informatico. I prigionieri liberi chiedono a Ziva e Di Nozzo, rifugiatisi in cella insieme all'hacker, di consegnarlo in cambio per la loro vita. Pur di salvare se stesso, l'hacker rivela come possono trovare MC. Si scopre così che l'intero breakout era solo uno stratagemma: essi in realtà non avevano mai lasciato la base dell'NCIS. Nel frattempo, Gibbs e McGee riescono a rintracciare la bomba ad ebola e disinnescarla in sicurezza.

Un marine, noto come Gabe Crowe, durante un allenamento, cade dalla parete dell'arrampicata e muore. Gli indizi raccolti, però, provano che la morte non è dovuta alla caduta. Infatti, sulle braccia si notano delle ferite da coltello e segni di lotta.

Ducky e Palmer sono chiamati a investigare su un misterioso suicidio di un tenente della Marina, ma vengono rapiti mentre portano il cadavere al quartier generale dell'NCIS. Nel frattempo, il resto della squadra scopre che il tenente morto era in realtà una spia cubana che stava rubando file classificati, e le persone che hanno rapito Ducky e Palmer sono i suoi contatti. Sia Ducky che Palmer riescono a sfuggire ai loro rapitori e vengono tratti in salvo dal resto della squadra, che è riuscita a rintracciarli, ma una delle spie riesce fuggire. Grazie ad uno stratagemma di Ducky, il team è in grado di arrestarla e recuperare i file rubati.

In questo episodio la squadra e impegnata ad aiutare Gibbs al quale un suo amico, il barbiere, ha chiesto aiuto riguardo ad una serie di omicidi, di cui crede sia colpevole suo figlio, nel frattempo, DiNozzo parte alla ricerca di un marine sospettato di furto. Le indagini, non ufficiali per l'omicidio seriale, vengono a scontrarsi con quelle della polizia. Dopo vari colpi di scena, il figlio del barbiere viene scagionato e la squadra arresta il vero colpevole.

Durante un'operazione di sminamento in Afghanistan un marine viene ucciso da un cecchino, ma la moglie non crede che le cose siano andate come sembra. Gibbs con l'aiuto di Dex, il cane antimine, scopriranno un traffico di preziosi.

Durante una terribile burrasca viene rinvenuto il corpo di un comandante medico. La squadra indaga l'equipaggio della nave tra i quali c'è il padre di McGee e quest'ultimo dovrà affrontare il difficile rapporto con l'indiziato genitore e la sua voglia di riscatto.

La squadra viene chiamata per trovare il marito di un tenente dei Marines. Si presuppone un rapimento. Nel frattempo, Ziva con l'aiuto di McGee cerca di localizzare Bodnar di nascosto da NCIS e CIA.

Dopo la morte di Eli David direttore del Mossad, la figlia Ziva chiede a Gibbs l'autorizzazione ad andare in Europa dove si trova Bodnar, ritenuto l'assassino di Eli David. Nel frattempo viene ucciso un agente del Mossad ed il nuovo direttore (una donna che poi Ziva dirà che ha avuto una lunga relazione con suo padre Eli David da giovani) si trova negli Stati Uniti per collaborare alla ricerca di Ilan Bodnar. Ziva e Tony partono per l'Europa, ma non per Roma dove tutti credono che Bodnar sia, bensì per Berlino dove Ziva pensa che Bodnar in realtà si trovi, perché è lì che può cambiare i suoi soldi in diamanti per poi sparire. Le indagini condotte in parallelo dal Mossad, dalla CIA, dall'FBI e dal NCIS, sembrano brancolare nel buio. A Berlino Ziva e Tony invece di trovare Bodnar trovano il fratello di questo che lo aiuta. Nel frattempo si scopre che Ilan Bodnar non è mai partito dagli Stati Uniti dopo l'omicidio di Eli David, come peraltro il Mossad già sapeva non avendolo però rivelato al NCIS. Tony e Ziva tornano allora negli Stati Uniti con il fratello di Bodnar ed appena giunti subiscono una grave collisione (volontaria ?) da un SUV, con conseguenze che si scopriranno solo nella puntata successiva.

Gibbs sfida un ordine diretto da parte del Dipartimento della Difesa, tutta la squadra NCIS si unisce nella ricerca di Bodnar. Ziva, ferita dall'incidente d'auto, ha finalmente la possibilità di confrontarsi con Bodnar e si vendica per la morte di suo padre, uccidendolo.

All'indomani dell'arresto di Gibbs il Dipartimento della Difesa allarga la sua indagine nell'NCIS, mettendo in pericolo il futuro dell'intera agenzia, durante queste indagini viene trovata la testa di un marine che, durante l'autopsia, si rileva molto attiva dal punto di vista radioattivo. Per difendere Gibbs il Direttore Vance assolda l'ex Ammiraglio Abelardo (Albert) Jethro "A. J." Chegwidden e poi, visto che Parsons l'agente che conduce le indagini, continua la sua caccia alle streghe, l'intera squadra da le dimissioni. A quel punto le indagini vengono bloccate .