Le SecNav Clayton Jarvis est tué et l'ancien directeur de NCIS Tom Morrow blessé dans l'explosion d'une bombe. L'équipe découvre que quelqu'un tente de les éliminer un par un. Gibbs se rend à Téhéran afin de rencontrer un informateur. Enquêtant sans insignes, Tony s'envole pour Tel Aviv alors que McGee tente de découvrir l'origine de la bombe.

A la demande de Sarah Porter qui a succédé à Jarvis au poste de secrétaire de la Navy, Gibbs et son équipe poursuivent Benham Parsa, un Pakistanais qui serait à la tête d'une cellule terroriste menaçant l'agence. A la recherche de Ziva, Tony arrive enfin en Israël où il a la surprise d'être accueilli par la patronne du Mossad qui l'interroge sur la jeune femme. Il finit par la localiser mais leurs retrouvailles sont tendues.

Les agents du NCIS enquêtent sur une explosion survenue dans l'appartement de Terence Keith, un sous-lieutenant de la Marine, et qui a coûté la vie au gérant de l'immeuble. Le soldat, âgé de 26 ans, est en permission pour deux semaines et semble avoir disparu. Abby découvre bientôt son empreinte sur le mécanisme de la bombe. Dans le même temps, McGee égare son badge et sa plaque mais préfère les dissimuler à Gibbs.

Patricia Moreno, sergent dans la Navy, est trouvée morte à son domicile. Or, McGee découvre qu'elle serait décédée en Afghanistan trois ans plus tôt et en déduit que sa carte d'identité militaire lui a été volée. La victime est bientôt identifiée et Abby découvre qu'elle était liée avec Leyla Shakarji, la belle-fille de l'agent Mike Franks. Dans cette affaire, DiNozzo et Tim doivent collaborer avec Susan, une enquêtrice criminelle qu'ils n'apprécient guère.

Un jeune marine tout juste revenu d'Afghanistan où il était assigné à un poste de sécurité est tué par balle sur une route, en bordure d'une forêt. La victime étant un expert en réseaux de communications classés confidentiels, le département de la Défense envoie l'agent Delilah Fielding pour seconder le NCIS dans cette enquête. DiNozzo ne parvient pas à trouver le sommeil depuis plusieurs jours et commence à être sujet à des hallucinations.

Trois vols à main armée ont été commis récemment dans le même quartier suivant un mode opératoire similaire. Un marine a trouvé la mort au cours du dernier braquage. Parallèlement, Gibbs accepte d'accompagner son père qui veut rendre visite à l'un de ses vieux amis de l'armée, sur le point de mourir. Pendant son absence, il confie la responsabilité de l'enquête à McGee, ce qui provoque la colère de DiNozzo.

L'équipe du NCIS enquête sur l'assassinat d'un quartier-maître avec délit de fuite survenu sur une base militaire. Elle soupçonne rapidement le sergent Justin Dunne dont la voiture porte des traces de la victime. L'ancien agent Carrie Clark, aujourd'hui avocate, s'occupe de la défense de Dunne et affirme que son alibi est solide. Parallèlement, McGee s'inquiète du comportement étrange de Tony.

Au cours d'une réunion de travail, le NCIS découvre que la secrétaire à la Navy a un stylo dans lequel a été dissimulé un mouchard. Ellie Bishop, analyste à la NSA, avait imaginé une menace similaire dans un rapport écrit deux ans plus tôt. Gibbs pense que les pirates suivent la méthode de la jeune femme et lui demande donc de collaborer à l'enquête. Son style très personnel sème le trouble au sein de l'équipe.

Un caporal de 23 ans affecté à l'entretien des véhicules a été assassiné par un homme déguisé en clown. Les premiers indices mènent Gibbs dans une chambre d'hôtel où il a la surprise de trouver son ex-femme, Diane, en compagnie de TC Fornell. L'ex-petit ami de Diane, Eddie Macklin, pourrait être un suspect sérieux. Les choses se compliquent lorsque ce dernier révèle qu'il est membre des services secrets.

Gibbs et son équipe enquêtent sur une maladie inconnue qui touche plusieurs enfants de militaires dans un rayon de 50 km autour de Washington. Abby craint qu'il s'agisse d'une attaque de bioterrorisme. La mission du NCIS consiste à identifier le virus, retrouver son foyer d'origine et à tout mettre en œuvre pour enrayer sa progression. Abby et Jimmy travaillent dans le Centre de recherche médicale de la Marine dans l'espoir de trouver un vaccin.

Un quartier-maître a été abattu avec un fusil longue portée dans un parc. Un témoin a vu un aéronef gris survoler les lieux au moment du drame. Il s'agit d'un drone de surveillance appartenant à la Marine. Les premières recherches révèlent que l'engin a été volé par le groupe terroriste de Parsa qui pourrait mettre sur pied une attaque à grande échelle. Le NCIS fait équipe avec l'ancienne petite amie de Gibbs, Hollis Mann, dépêchée par le ministère de la Défense.

Après l'explosion survenue au gala, McGee, légèrement blessé, se rend au chevet de sa petite amie, Delilah, qui a été hospitalisée dans un état sérieux. Gibbs exige qu'il ait un entretien avec la psychologue du NCIS avant de reprendre le travail. Ellie Bishop tente de rassembler les pièces du puzzle pour retrouver la trace de Parsa. Ses déductions mettent l'équipe sur la trace d'un comparse du terroriste, Bashir Malik.

Le meurtre d'un officier portuaire trahit la localisation possible de Benham Parsa, alors que l'équipe poursuit sa chasse à l'homme. Rapidement, Ellie Bishop révèle à Gibbs qu'elle poursuit le terroriste depuis plusieurs années dans le cadre d'une mission que lui avait confié son ancien patron au NSA et qu'elle a passé un contrat moral avec lui.

Les agents du NCIS sont appelés sur les lieux d'un accident impliquant un camion rempli de marchandises volées à la Marine. La cargaison comprend des gilets pare-balles défectueux destinés à la vente. Sur place, l'équipe trouve un sac appartenant à un adolescent. DiNozzo l'interroge pour savoir s'il a identifié le conducteur du véhicule. Les enquêteurs tentent également de retrouver les gilets déjà distribués au personnel militaire à l'étranger.

Un homme s'étant fait passer pour un officier de la marine tire sur DiNozzo. Ce dernier riposte et abat l'inconnu. Seul témoin du drame : le père de DiNozzo, présent en ville pour faire certaines révélations à son fils. Le vieil homme est alors interrogé par un agent de l'Inspection générale qui mène une enquête sur cette affaire. Abby découvre que la victime était un détective privé réputé.

L'équipe enquête sur la mort de deux hommes survenue dans une salle de concert à la suite d'une explosion. L'un était membre d'une fondation de charité militaire, l'autre était un bénévole qui participait à l'organisation d'un spectacle pour des soldats. Gibbs tente de savoir quelle était la véritable cible de cette attaque. Parallèlement, Palmer s'exerce aux gestes essentiels, nécessaires pour s'occuper de son futur enfant.

Le corps de Dan McLane, un membre du Congrès retraité des marines, est repêché dans le Mississippi, à La Nouvelle-Orléans. Chargé de l'enquête, l'agent Dwayne Pride vient demander le soutien de Gibbs, l'un de ses vieux frères d'armes. L'enquête est conjointement menée par une équipe du FBI et par l'agent Fornell. Leurs recherches les conduisent sur la piste d'une prostituée avec laquelle le défunt avait passé sa dernière soirée.

Les deux équipes poursuivent conjointement leurs recherches quand un nouveau meurtre est commis. Le mode opératoire est identique à celui de Victor Lorta, surnommé le « Privilégié », un tueur en série qui prend pour cible des militaires et des fonctionnaires. Néanmoins, Gibbs et Pride sont rapidement persuadés qu'ils ont affaire à un imitateur. En examinant les lettres de Lorta où il clamait son innocence, Mallard découvre que Dan McLane aurait falsifié des preuves d'anciens meurtres.

Delilah, la petite amie de McGee, découvre un mail contenant des informations au sujet de l'assassinat de Keith Jones, un militaire à Budapest, survenu deux semaines plus tôt. La victime avait pour mission de démanteler un site Web clandestin qui servait à vendre de la drogue aux services de tueurs à gages. Lorsque sa responsable lui demande d'ignorer cette affaire, la jeune femme se tourne vers Gibbs. Bientôt, l'équipe du NCIS comprend que Jones n'est pas mort.

Le corps d'un officier de la Navy a été retrouvé en pleine rue. En permission pendant une semaine, il avait pris un appartement en ville avec son ami Thomas Burke, engagé sur le même vaisseau. La victime avait récemment alerté la cellule spécialisée dans les viols et le harcèlement sexuel de l'agression de l'une de ses amies, officier de marine. Gibbs et l'agent Maureen Cabot, qui dirige la cellule, l'interrogent sur les événements.

Un photographe de la Marine disparaît alors qu'il devait témoigner devant la cour martiale. L'équipe du NCIS enquête sur l'assassinat dont il a été témoin en Afghanistan ainsi que sur son dernier reportage sur les anciens combattants sans-abri dans Washington et ses environs. Au domicile du photographe, DiNozzo et Bishop trouvent une lettre de menace ainsi qu'une seringue contenant de l'héroïne.

Tony DiNozzo se rend à Marseille pour participer à un séminaire sur la sécurité sur Internet. Mais sa véritable mission est de retrouver et ramener la fille de l'amiral Kendall, Amanda, une brillante étudiante qui se consacre désormais à faire la fête, à se droguer et à fréquenter des trafiquants d'armes russes. A peine arrivé, Tony découvre que ses contacts du NCIS ont tous été assassinés.

L'équipe enquête sur l'incendie d'un navire de l'armée survenu alors qu'il effectuait des manœuvres au large du Mariland. Le bateau servait de centre de détention secret pour interroger des terroristes capturés dans des conditions spéciales. Alors que l'enquête démarre, Vance annonce à Gibbs que son père vient de décéder à la suite d'une crise cardiaque. Gibbs part alors pour sa ville natale afin d'assister aux funérailles.