L'attentat qui a visé les locaux du NCIS a fait de nombreux morts. Gibbs, bien décidé à traquer l'auteur du crime, prend l'enquête à son compte. Le docteur Mallard, quant à lui, se remet lentement de son malaise cardiaque. Les agents reprennent leurs enquêtes. Mais leur vie privée vient souvent interférer avec leur vie professionnelle. Ainsi, Abby se découvre un frère, et ne sait pas si elle doit le rencontrer. DiNozzo, toujours désireux de se rapprocher de son père, s'aperçoit que les choses ne sont pas aussi simples qu'il l'aurait espéré.

L'intera squadra è sopravvissuta all'attacco e Gibbs riesce ad uccidere Dearing mettendo fine all'intreccio della stagione precedente. Ducky, sopravvissuto al suo malore viene parzialmente sostituito da Palmer che acquista una notevole importanza. Ma poco tempo dopo si sviluppa un nuovo filo conduttore, nuovamente legato a Ziva e al Mossad. Infatti il direttore Eli David e la moglie di Vance rimangono uccisi in un attacco alla casa del direttore del NCIS. Ziva si impegna al massimo per vendicare il padre, e riesce infine a uccidere Bodnar, il responsabile dell'accaduto. Durante questo periodo fra Tony e Ziva c'è un avvicinamento. Negli ultimi episodi il Dipartimento della Difesa arresta Gibbs con l'accusa di ostacolare la giustizia.