Un’esplosione durante un evento a Washington muore una persona collegata all’agenzia, cosa che cambia le prospettive di Parsons su Gibbs e il suo team; anche senza distintivo, DiNozzo e McGee indagano sul caso da civili, nonostante i loro pericolosi collegamenti.

Di Nozzo andrà sulle tracce di Ziva, l’agente speciale che ha lasciato la squadra di Gibbs. Per scoprire come sta e se è intenzionata a tornare, Tony volerà fino in Israele. Intanto Gibbs e il suo team continuano a dare la caccia a Parsa e alla sua rete terroristica in costante crescita. Purtroppo questo è l'episodio dell’addio di Ziva.

La squadra di Gibbs deve chiedere una mano a Twitter per risolvere il caso della scomparsa di un marine. Nel frattempo, McGee smarrisce il suo distintivo, senza però avvisare Gibbs e le autorità.

DiNozzo è sulle tracce di un uomo sospettato di un crimine commesso quindici anni prima, quando Tony era ancora un detective della Polizia di Baltimora.

Il team di Gibbs per risolvere un caso fa coppia con il Coast Guard Investigative Service (CGIS), i loro corrispettivi della Guardia Costiera, guidato dall’affascinante agente speciale Abigail Borin (la guest star Diane Neal), per indagare su un'esplosione avvenuta a bordo di una piattaforma petrolifera.. Intanto nel quartier generale, nessuno riesce a sfuggire agli scherzi di Halloween ideati da Tony Di Nozzo, dopo aver preso in giro Abby, la sua prossima vittima è l’imperturbabile Gibbs, ce la farà a strappargli un sorriso?

Gibbs è impegnato in faccende private insieme a suo padre. Tony e McGee sono in disaccordo su chi è a capo delle indagini del caso di cui si stanno occupando.

L'N.C.I.S. si sta occupando di quello che sembra un caso relativamente semplice, un omicidio colposo per assenza di soccorso, ma il principale sospettato ha un alibi inattaccabile.

La squadra scopre che un incontro riservato del Segretario della Marina è stato oggetto di un'intercettazione ambientale. Gibbs e il team collaborano con Eleanor "Ellie" Bishop, analista dell'Agenzia per la Sicurezza Nazionale, per trovare il responsabile.

Un caso di omicidio si complica improvvisamente quando la squadra scopre un collegamento tra la vittima ed il compagno di un'ex moglie di Gibbs.

Gibbs e il team sono al lavoro su una misteriosa epidemia che ha colpito le famiglie di alcuni membri della Marina. Abby e Jimmy devono scoprire il ceppo del virus e trovare una cura.

Il furto di un aereo-drone è collegato all'inafferrabile terrorista Parsa e l'N.C.I.S. lavora al fianco del Dipartimento della Difesa, per recuperare l'oggetto prima di un attacco su larga scala.

Nel tentativo di fermare Parsa, Gibbs e la sua squadra si mettono sulle tracce di uno dei suoi collaboratori. McGee, intanto, affronta le conseguenze dell'attacco.

L'omicidio di un'autorità portuale potrebbe svelare il nascondiglio di Parsa. Bishop svela il suo collegamento col terrorista.

Dopo aver scoperto un giubbotto anti-proiettile difettoso in un veicolo pieno di oggetti militari rubati, il team cerca il responsabile dei furti ed eventuali giubbotti spediti a personale militare oltreoceano.

DiNozzo incontra un finto ufficiale della Marina e finisce sotto indagine. L'unico testimone dell'accaduto è suo padre, in visita in città per svelare un segreto a suo figlio.

Un ordigno esplosivo crea il panico durante le prove per un concerto di beneficenza organizzato dalla Marina. L'N.C.I.S. si trova ad indagare nel mondo del Rock'n'Roll.

Quando il corpo di un membro del congresso, Dan McLane, ex agente dell'NCIS, viene ritrovato alla deriva a New Orleans, Gibbs si ricongiunge con un suo ex collega, l'Agente Speciale Dwayne Cassius Pride, in un caso congiunto tra i due uffici e l'FBI. I team devono lavorare assieme per determinare se l'omicidio è legato a motivi politici o è collegato al caso più conosciuto di McLane, l'arresto del "Killer Privilegiato" , un omicida seriale che prendeva di mira funzionari delle forze armate e pubblici.

Gibbs e l'Agente Speciale Pride seguono una pista a New Orleans dopo che le prove hanno indicato l'esistenza di un imitatore del "Killer Privilegiato". Intanto, Bishop manda a DiNozzo un souvenir speciale dalla "Città mezzaluna" ( Crescent City ), intanto che lui, Mcgee e l'FBI continuano a tracciare le connessioni politiche al caso da D.C.

Gibbs incontra un vecchio amico, l'agente Dwayne "King" Pride, di stanza a New Orleans. I due sono riuniti a causa di tristi circostanze, quando un loro mentore, membro dei famosi Fed Five, e attuale membro del Congresso, viene ucciso con il modus operandi che richiama quello del serial killer che venne catturato proprio dai Fed Five in passato. Il killer condannato ha sempre sostenuto la sua innocenza, fino alla sua morte e adesso il team ha a che fare con un ammazza sbirri.

Un ufficiale della Marina viene trovato morto su una strada rurale. L'N.C.I.S. deve accertare se l'omicidio è stato il risultato di una rissa o perché sapeva troppo su un attacco ad un collega.

Quando un marine fotografo scompare, la squadra indaga sia sull'omicidio di cui è stato testimone, sia sul suo pezzo sui veterani militari che sono senza casa nella zona di Washington.

Il direttore Vance dà a DiNozzo un incarico speciale per portare a casa la figlia di un ammiraglio da Parigi.

In questo finale dell'undicesima stagione: Il team deve indagare su una sparatoria avvenuto a bordo di una nave della Marina, usata come sito segreto di detenzione di un gruppo di terroristi.