Nach seinem Herzinfarkt liegt Ducky (David McCallum) im Krankenhaus und muss Jimmy (Brian Dietzen) alleine nach D.C. fliegen lassen. Dort wurden Abby (Pauley Perrette), Gibbs (Mark Harmon) und Vance (Rocky Carroll) am Ende der neunten Staffel von einem Bombenanschlag im NCIS Hauptquartier überrascht. Der mutmaßliche Täter, ein Terrorist namens Harper Dearing (Richard Schiff), befindet sich nun auf der Flucht.

Das Gebäude des NCIS muss nach dem Bombenanschlag komplett renoviert werden. Zwischen Vance (Rocky Carroll) und Abteilungsleiterin Judy (Jessica Collins) entbrennt dabei ein Streit um Veränderungen in den Räumen. Bei einer psychologischen Untersuchung erfährt Gibbs (Mark Harmon), dass Abby (Pauley Perrette) von schrecklichen Alpträumen geplagt wird. Unterdessen stellt sich heraus, dass die vermisste Mitarbeiterin Midge Watkins (Andrea C. Robinson) erschossen wurde.

Um einen angeblichen Hubschrauberabsturz aufzuklären arbeitet das Team von Gibbs diesmal mit Special Agent Borin (Diane Neal) zusammen. Dabei unterscheiden sich die Aussagen der drei überlebenden Crew-Mitglieder zur Unfallursache deutlich. Die Schusswunde am Kopf des Piloten, der zwischenzeitlich an Land gespült wurde, deutet darauf hin, dass es sich um einen Suizid handelt. Diesen verneint aber nicht nur die Frau des Toten vehement, sondern wird auch von einem aus dem Koma erwachten Kollegen ausgeschlossen.

Der unscheinbare Polizist Boxer wird im entliehenen Ferrari eines Internet-Milliadärs tot aufgefunden. Tatverdächtig ist ein Student, der in der Firma des Fahrzeuginhabers als Praktikant angestellt war und sich offensichtlich um eine Geschäftsidee betrogen sieht.

Der Marine Captain Joe Westcott leidet seit seiner Rückkehr aus Afghanistan unter dem posttraumatischen Belastungssyndrom. Eines Abends trifft er sich mit seinem Freund Lieutenant Torres. Die beiden geraten in eine Prügelei, bei der Torres totgeschlagen wird. Westcott erzählt Gibbs, er hätte sechs Männer gesehen, doch Abby beweist, dass es nur zwei waren: Westcott und ein gewisser Randall Kersey – bei dessen Anblick Westcott rot gesehen haben muss. Aber warum?

Captain Westcott, vom posttraumatischen Belastungssyndrom gebeutelt, öffnet sich Gibbs und einem Psychotherapeuten. Er kann sich nicht verzeihen, dass er in Afghanistan angeblich seine Männer im Stich gelassen hat. Westcotts Erinnerung an den Abend, an dem Torres totgeschlagen wurde, kehrt langsam zurück. Er erinnert sich, in der Kneipe einen Bekannten gesehen zu haben – Randall Kersey, den Gibbs und seine Leute schon befragt, aber als nicht verdächtig eingestuft hatten …

Als Lydia und ihre Freundin Rosie auf offener Straße attackiert und offensichtlich entführt werden sollen, eilt ihnen ihr Vater zur Hilfe, der im Getümmel von den Angreifern erschossen wird. Lydia bleibt geschockt zurück, während Rosie von den Kidnappern verschleppt wird. Das Team sucht nicht nur fieberhaft nach dem Mädchen sondern auch nach dem Grund der Entführung.

ach einem Schusswechsel zwischen FBI-Agent T.C. Fornell (Joe Spano) und einem Navy-Soldaten, der dabei ums Leben kommt, kreuzen sich die Wege von Fornell und Gibbs (Mark Harmon) erneut. Was die beiden nicht ahnen ist, dass ihnen ein weiteres Wiedersehen mit einer alten Bekannten bevorsteht: Diane Sterling ( Melinda McGraw), die Ex-Frau von Gibbs und Fornell, mischt sich in den Fall ein, der daraufhin eine überraschende Wendung nimmt.

Megan Huffner (Rose Rollins), ein Navy Lieutnant Commander, findet bei ihrer Rückkehr von einem Einsatz die Leiche ihres Mannes, dem das Genick gebrochen wurde. Gibbs (Mark Harmon) und sein Team beginnen mit der Untersuchung des Mordes. Als sie einen 100 Dollar Schein bei dem Toten finden, in dessen Besitz er nicht sein dürfte, schließt sich der Secret Service den Ermittlungen an.

Ein Journalist wird tot aus einem Fluss geborgen. Er hatte sich zuletzt für die Recherche zu einer Story als Navy-Soldat ausgegeben. Während der Ermittlungen bekommt Ziva (Cote de Pablo) überraschend Besuch von ihrem Vater Eli David (Michael Nouri), der sich anscheinend mit seiner Tochter versöhnen will. Doch der Chef des Mossads plant auch ein geheimes Friedensgespräch mit Arash Kazmi (Al Faris), Leiter des iranischen Geheimdiensts, den er noch aus Kindheitstagen kennt.

Nach den tödlichen Schüssen auf Leons Haus, trauert das NCIS-Team nicht nur um Zivas (Cote de Pablo) Vater Eli, sondern auch um Leons (Rocky Carroll) Frau. Das Team macht sich auf die Suche nach den Mördern beziehungsweise ihren Hintermännern.

Abby (Pauley Perrette) übernimmt die Untersuchung eines Autos, in dem der junge Marinesoldat Chad Dunn gemeinsam mit seiner Freundin Lyla tot aufgefunden wurde. Schnell ist klar, dass die beiden nicht an den Folgen eines Unfalls starben, sondern ermordet wurden. Das NCIS-Team um Gibbs (Mark Harmon) verhört die Eltern des Paares und erfährt, dass die Familien seit langem verfeindet sind.

Der NCIS wird von einem Hackerangriff überrascht, in dessen Folge ein Undercoveragent enttarnt und ermordet wird. Der Hacker namens Ajay Khan ist schnell gefunden, doch der will den Namen seines Auftraggebers nicht preisgeben. So muss das Team des NCIS zu unkonventionellen Maßnahmen greifen.

Die Leiche von Lance Corporal Crowe stellt den NCIS vor ein Rätsel. Crowe beteiligte sich zwar an illegalen Faustkämpfen, doch dies scheint nicht die Todesursache gewesen zu sein. Stutzig machen die Ermittler Plastikteile in seinen Wunden. Unterdessen kämpft Vance (Rocky Carroll) mit Erinnerungen an seine tote Frau.

Ducky (David McCallum) und Jimmy (Brian Dietzen) sind mit einer Leiche im Kofferraum unterwegs, als sie mitsamt dem Toten entführt werden. Es scheint als wüssten die Kidnapper um die brisanten Informationen, die sich im Inneren des Leichnams befinden, denn sie zwingen das Pathologen-Duo zu einer Autopsie.

Ein Serienkiller hat es auf unschuldige Frauen abgesehen und orientiert sich an einem Täter, der vor drei Jahren verurteilt wurde. Der Fall nimmt vor allem für Gibbs (Mark Harmon) eine unerwartete Wendung, als er im Phantombild den Sohn seines Freundes Frankie Dean zu erkennen glaubt. Doch auch der TV-Reporter Bart Cowley hätte ein Motiv.

Hundeführer Ted Lemere wurde in Afghanistan aus einem Hinterhalt erschossen. Verfügte er über geheime Informationen, für die er sterben musste? Um weitere Informationen zu erhalten, machen sich Gibbs (Mark Harmon) und Co. auf den Weg in die islamische Republik.

Nachdem ein Offizier auf der USS Borealis tot aufgefunden wurde, geht das NCIS-Team an Bord des Navy Schiffs. Für Tim McGee (Sean Murray) kommt es während der Ermittlungen zu einem unerwarteten Wiedersehen: Sein Vater, Admiral John McGee (Jamey Sheridan), befand sich zum Tatzeitpunkt auf dem Schiff und gehört damit zum Kreis der Verdächtigen.

Als die Navy-Reservistin Callie Daniels nach Hause kommt, muss sie feststellen, dass ihr Ehemann Noah verschwunden ist. Die Hinweise am Ort des Geschehens deuten auf eine Entführung hin, denn die Ermittler finden einen abgeschnittenen Finger Noahs.

Während der Rest des Teams den Mordfall eines Offiziers in Virginia untersucht, fliegen Tony (Michael Weatherly) und Ziva (Cote de Pablo) nach Berlin. Dort wurde Bodnar, der Mörder von Zivas Vater Eli David, zuletzt gesehen. In der deutschen Hauptstadt bekommen die NCIS-Ermittler Unterstützung von der neuen Mossad-Direktorin Orli (Marina Sirtis).

Das NCIS-Team fahndet weiterhin nach Bodnar (Oded Fehr), doch der ist ihnen stets einen Schritt voraus. Außerdem bekommen die Ermittler Probleme mit der Homeland Security, die sie von dem Fall abziehen will. Was steckt dahinter?

Scheinbar kehrt das NCIS-Team zurück zur Normalität. Richard Parsons (Colin Hanks) untersucht indes das Verhalten der Ermittler im Fall Bodnar. Während sie sich seinen unangenehmen Fragen stellen müssen, ermittelt das Team um Gibbs im Fall eines Marine-Offiziers, der an einem Versuch teilgenommen hat und nun sein Gedächtnis verloren hat.

Parsons Untersuchung des Fall Bodnar nähert sich ihrem Ende und Gibbs (Mark Harmon) droht ein Gerichtsverfahren. Die internationale Jagd nach dem Mörder von Zivas (Cote de Pablo) Vater wird zur Hetzjagd gegen das Ermittlerteam und seine unkonventionellen Methoden.