Après s'être fait tirer dessus par Luke Harris en Irak, Gibbs est transporté à bord d'un navire-hôpital et tous les moyens sont mis en oeuvre pour tenter de le sauver. Pendant ce temps, DiNozzo et Joanna Teague se rendent à Shanghai dans l'espoir de mettre fin, une bonne fois pour toutes, aux agissements de l'organisation terroriste connue sous le nom de "La Vocation".

Gibbs demande à l'équipe d'aider l'agent de la DEA Luis Mitchell (John Gabriel) dans une affaire, mais DiNozzo découvre qu'il y a un lien personnel entre l'agent Gibbs et son souhait d'aider Mitchell à résoudre l'enquête. Aussi, l'équipe parle du nouveau look de Gibbs lorsque celui change sa coupe de cheveux militaire standard et ses polos pour une coupe moderne et des chemises sur mesure.

Vance retourne sur le terrain, enquêtant sur un homicide relié à un ancien agent du NCIS. Il demande de l'aide à Gibbs.

Alors qu'elle visite un labo pharmaceutique, Abby est prise en otage, sans aucun moyen de communiquer avec l'extérieur.

Le NCIS doit éclaircir une affaire d'homicide sur un marine afin de savoir s'il a été la victime d'un tueur en série ou d'un Copycat. McGee et Delilah doivent apprendre à faire des compromis avant de vivre ensemble.

Ducky doit révéler les moindres détails de son passé lors d'un interrogatoire d'une société secrète lorsqu'un marine à la retraite forcée est retrouvé assassiné.

DiNozzo retrouve son ex-petite amie, Jeanne Benoit, lorsque des insurgés au Soudan attaquent un groupe de médecins bénévoles, dans lequel se trouve son mari. DiNozzo et McGee se rendent alors sur la scène de crime pour enquêter sur les meurtres et enlèvements et se joignent à la recherche des médecins disparus.

Afin de réhabiliter son nom, un quartier-maître se porte volontaire pour la cour martiale si le NCIS accepte de mener l'enquête après que son affaire pour meurtre ait été rejetée à cause d'un problème de mandat. Pendant ce temps, Bishop et Jake discutent de leurs problèmes conjugaux.

Dans l'espoir d'épargner à une famille une nouvelle tragédie, la Secrétaire de la Marine demande au NCIS d'aider un marin qui se bat contre une leucémie à trouver un donneur de moelle osseuse après la mort de son frère et sa sœur dans l'exercice de leurs fonctions. Pendant ce temps, Bishop rentre chez elle, en Oklahoma pour fêter Thanksgiving.

Après que Ducky ait été attaqué par un homme qui prétend avoir des informations sur son demi-frère mort il y a quelques décennies, l'équipe du NCIS se met à la recherche du suspect ce qui plonge Ducky dans les derniers moments passés avec son frère. Aussi, à l'approche des fêtes, Bishop et Jake discutent de l'avenir de leur relation.

L'armée force un avion à se crasher. Tous les passagers sont morts. Selon le manifeste, le frère d'Abby faisait partie du vol. L'enquête va mener nos deux équipes à enquêter sur l'incident et les confronter à l'espionnage russe.

Alors qu'ils enquêtent sur le meurtre d'un marin qui devait témoigner dans un grand jury, l'équipe du NCIS découvre la renaissance d'un trafic humain international. Pendant ce temps, McGee espère passer la nuit dans la maison d'un collègue après qu'une tempête provoque des pannes de courant massives dans la ville.

Quand un scaphandrier est assassiné sur son lieu de travail, son corps et ses collègues suspectés de meurtres doivent rester dans une chambre de décompression pour 4 jours, laissant l'équipe du NCIS terminer une enquête peu orthodoxe à l'extérieur de la chambre

Quand la Secrétaire à la NAVY Sarah Porter apprend que sa fille a été kidnappée, l'équipe du NCIS s'associe au FBI pour suivre le cas, déterminé à la ramener chez elle. Pendant ce temps, l'ami d'enfance de McGee, l'agent spécial du NCIS Valerie Page est en ville pour assister l'équipe avec des tactiques d'entraînement avancés.

Le Docteur Cyril Taft expérimente la vitesse d'une affaire du NCIS après qu'il est assigné à un devoir chirugical pour un suspect de Gibbs et qu'il trouve des évidences clés. Pendant ce temps, DiNozzo passe voir Jeanne Benoit alors qu'il enquête sur des docteurs au Soudan.

Les plans personnels de l'équipe du NCIS sont interrompus lorsque chacun d'entre eux tiennent des erreurs dans ce qui semble être une simple affaire terminée. Pendant ce temps, McGee et Delilah se disputent sur l'importance de ne pas discuter du travail pendant le dîner alors que DiNozzo s'ennuie avec son rencard qui parle que de boutique

L'équipe du NCIS enquête sur l'embuscade mortelle d'un groupe de snipers en Irak après qu'un couple d'américains ait été attaqué au même endroit six mois plus tard. Gibbs tente de lier connaissance avec le seul survivant, le sergent Davis, traité pour un SPT au Walter Reed Medical Center afin de découvrir des indices.

L'équipe du NCIS doit déterminer qui ment, la femme ou la maitresse, après que les femmes s'accusent mutuellement pour le meurtre d'un officier des Affaires Publiques de la Navy. En même temps, Anthony DiNozzo Sr aide une femme sans-abri qui croit qu'il est son père.

Après que l'identité de Tony fut volée par de multiples responsables, les faux Agent Spécial DiNozzo commence à faire du chantage à des sénateurs.

Gibbs et l'agent du FBI Fornell s'unissent après que 2 prisonniers britanniques, incluant un ancien espion, s'échappe et arrive aux Etats-Unis via un conteneur d'expédition. Pendant ce temps, McGee est occupé à trouver un appartement et à savoir comment DiNozzo a obtenu son somptueux appartement

Quand un jeune de 14 ans déjoue une invasion de domicile, Gibbs le soupçonne de détenir des détails pertinents. En outre, le Directeur Vance et l'Agent Fornell se rendent à Londres dans le cadre d'un dossier en cours sur un espion britannique en fuite.

L'équipe du NCIS, aux côtés du FBI et du MI6, continue leur chasse à l'homme internationale d'un espion britannique qui est en fuite. L'agent Fornell est entre la vie et la mort, tandis que de nouveaux éléments font apparaitre un nouveau suspect que l'on n'avait pas revu depuis longtemps. Le nom de Ziva réapparait, celle-ci est menacée et un attentat en Israël fait craindre le pire à son sujet.

Les équipes du NCIS, du FBI et du MI6 continuent une traque internationale, alors que Gibbs vient de faire innocenter Jacob (qui était venu se rendre au NCIS) et que l'on apprend la fuite de l'ex-agent de la CIA Kort. On apprend une attaque terroriste sur la maison où Ziva est censée être depuis son retour en Israël. Fornell est toujours à l'hôpital. La traque va certainement se poursuivre en Israël : va-t-on avoir des nouvelles de Ziva ?