テロ組織“コーリング”を追ってイラクに到着した矢先、少年ルークに撃たれてしまったギブス。ペルシャ湾の空母に搬送され、優秀な外科医タフトが急いで治療に当たるが、ギブスは手術中に生死の境をさまよう。その数ヵ月後、コーリングが上海に拠点を移したという情報が入り、トニーとCIAのティーグ局員は現地に飛ぶ。果たしてトニーはコーリングのリーダーであるダニエル･バッドを捕まえることができるのか。

DEA捜査官ミッチと共に、三等軍曹コール･グリーソンを捜すことになったギブスたち。グリーソンはミッチが長年追ってきた麻薬密売人ベンソン･ロングに関する証拠を握っていたが、ミッチとの約束をすっぽかして姿を消したという。チームは押収した銃に付着していた指紋を手掛かりに捜査を開始するが、ギブスにデスクワークを命じられたトニーは、捜査資料を読んでミッチの素性に気づき、ギブスが暴走しないかと案じる。

ギブスと会う約束をしていた少佐が死体で発見される。少佐は過去の事件に共犯者がいたと信じて独自に調査を続けており、たびたび情報を提供していたが、どれも裏が取れないまま終わっていた。しかし彼が事故を装って殺されたことが判明し、今回こそ確かな情報をつかんでいた可能性があるため、マクギーとビショップが夫婦として潜入捜査を行うことに。その一方でルーツ探しを始めたトニーは、自分のDNA検査の結果を聞いて驚く。

二等水兵が自動車事故を起こして死亡する。車内から大金と演習用の手榴弾が見つかり、遺体の血液からは大量のLSDが検出されたため、二等水兵が強盗を働いたあとに薬物を盛られた可能性が浮上。その一方で、かつてヴァンスに追放された元NCIS捜査官クラグマンが訪れ、ビーフという男が関与しているという情報を提供する。クラグマンの真意を疑うヴァンスは、彼が仕掛けた罠によって局長解任の危機に陥ってしまう。

二等兵曹マイヤーズが狙撃されて死亡する。NCISは連続スナイパー殺人犯の犠牲者だと考えて捜査を始めるが、今回は模倣犯の仕業であることが発覚。マイヤーズには女性水兵を盗撮してヌード写真を投稿した過去があり、盗撮の被害者が10日前に自殺していたことから、ギブスは性的暴力班のキャボット捜査官と共に調べを進めていく。一方、ジェイクの出張先でテロ事件が発生し、ビショップは何とか夫の無事を確かめようとする。

森の中で元海軍少佐ヘイズの死体が見つかる。死体の身元を知ったダッキーは、捜査から外れると宣言。ヘイズは服役中の息子の冤罪を晴らすべく、ダッキーが所属するミステリー愛好会“シャーロック推理研究会”に調査を依頼していたのだ。トニーとマクギーが森の中で手掛かりを探す一方、ギブスとビショップはヘイズが真犯人だと疑っていた消防士の元へ。さらに研究会の本部を訪れるのだが、曲者ぞろいの会員たちは捜査協力を拒む。

南スーダンの村でボランティアの医師たちが襲撃され、３人の死亡が確認される。トニーとビショップが彼らを派遣した団体IDGを訪れると、そこには何とトニーがかつて素性を隠して付き合っていたジャンヌ･ブノワの姿が。ジャンヌは結婚後にIDGを創立して医療活動に従事しており、彼女の夫も派遣された５人の中に含まれていた。ギブスは現地に飛ぶ準備を始めるが、体調を崩してドクターストップがかかってしまう。

殺人容疑をかけられていた下士官カイルが証拠不採用によって釈放される。その後、水兵仲間に嫌がらせを受け、妻にも愛想を尽かされてしまったことから、カイルは汚名をすすぐために軍法会議に出廷することを希望。ギブスたちが殺人事件の真相を探ることになり、トニーは古巣のボルティモア警察に話を聞きに行く。一方、ジェイクとの仲がギクシャクしているビショップは、彼が女性と深刻な顔で話をしているところを目撃してしまう。

兄弟２人を戦地で失った水兵アレックスが、白血病で瀕死の状態に。ギブスたちはアレックスに骨髄移植を受けさせるため、行方不明になった弟ショーンの捜索を開始。ショーンの家からは大量の紙幣が発見され、FBIのフォーネルと連携して捜査を進めることに。一方、ジェイクの不倫を知ったビショップはオクラホマの実家へ。もう１人の適合ドナーがカンザスの刑務所に収監されていたことから、ビショップは骨髄提供を頼みに行く。

ダッキーが何者かに襲われ、助けに入った海兵隊員が殺害される。犯人はダッキーの弟ニコラスについて探っていたが、ニコラスはすでに他界しており、ダッキーは心当たりがないと言う。ギブスたちはダッキーに弟がいたことに驚きながらも、ダッキーが監禁されていた車を手掛かりに犯人を追いかける。一方、オクラホマの実家からDCに戻ってきたビショップは、職場を訪ねてきたジェイクとようやく向き合うことに。

ニューオーリンズ発の自家用機との通信が途絶える。搭乗者は死亡していると見られ、NCISが安全な場所に墜落させるが、ニューオーリンズ支局のプライド捜査官は、乗客名簿の中に何とアビーの弟ルカの名前を見つける。その後、ルカの携帯からメールを受け取ったアビーは、彼の行方を捜すことに。一方、ニューオーリンズではラサール捜査官たちがルカの自宅を捜査。意外な証拠が見つかる中、NCIS両局の合同捜査が始まる。

DCが寒波に襲われる中、埋め立て地で女性水兵の死体が見つかる。彼女が射殺事件の証人だったことから、当初はギャングの仕業かと思われるが、被疑者の男は関与を否定。アビーが被害者の上着を調べると別の女性の髪がついており、その髪の主である女子大生が行方不明になっていることが分かる。さらに被害者にマイクロチップが埋め込まれていたことが発覚し、ビショップは過去に摘発した人身売買事件との共通点に気づく。

潜水支援船の減圧室の中で元水兵の飽和潜水士デラロサが死亡する。通報を受けたギブスたちが船に乗り込むが、減圧には４日かかるため死体を減圧室の外に出すことができない。そこでダッキーは減圧室の中の潜水士３人に指示を与えて証拠を採取させるのだが、潜水支援船と契約を結んでいる企業の顧問弁護士が捜査を妨害。一方、本部に残ったトニーが潜水士３人を調べると、それぞれが後ろ暗い事情を抱えていることが分かる。

マクギーの幼なじみで、チーム“REACT”に所属するペイジ捜査官が、戦術訓練のために本部を訪れる。その直後、海軍長官の娘メーガンが彼氏のディーンと共に誘拐されたことが発覚。ギブスたちはFBIのフォーネルと連携して捜索を開始し、犯人グループに解放されたディーンを発見する。ディーンの話によると犯人たちは特殊作戦の訓練を受けており、その後1000万ドルの身代金を要求する電話がかかってくる。

一等兵曹のフィンとショアが武器の盗難現場に居合わせ、撃ち合いの末にフィンが死亡。ショアと犯人グループの１人は負傷し、タフト医師が犯人の手術を担当することに。その後NCISを訪れたタフトは、ダッキーと共に犯人の腕に不自然な金属プレートが埋め込まれていることを突き止める。アビーの調べによると、犯人はアフリカで処置を受けていたため、トニーは情報を得るために再びジャンヌ･ブノワの医師団体を訪れる。

海軍下士官の発砲事件の現場に出動したギブスたち。下士官が襲われていた女性を救うという単純な事件だったため、ギブスは早々に帰宅を命じる。しかしマクギーはデライラとの食事中に現場の車の配置が不自然であることに気づき、トニーもデート中に凶器について疑問を持ち始める。１人オフィスに残ったビショップは、ダッキーから遺体が動かされていたことを聞かされ、真相を解明すべく深夜にギブスの家を訪れる。

イラクで取材旅行中のアメリカ人夫婦が殺害される。現場の５キロ西では２ヵ月前に海兵隊員たちと武装勢力の銃撃戦があり、その際に盗まれた海兵隊の銃が凶器であることが発覚。しかし銃撃戦の唯一の生存者である狙撃手デイヴィスは、銃がすべて破壊されたと報告していた。セラピストのグレイスは狙撃手同士で話をするようギブスに勧めるが、重傷を負ってPTSDに苦しむデイヴィスは心を開こうとせず、ギブスを病室から追い出す。

海軍基地に勤務していた記者が死亡する。現場には妻と愛人が居合わせており、それぞれ相手が発砲したと主張。どちらのウソか見破るべくギブスたちは捜査を進めるが、凶器となった銃からは両者の指紋が検出され、チームの中でも妻と愛人のどちらが犯人かで意見が割れる。一方、道端でホームレスの女性に声をかけられ、父親だと人違いされたディノッゾ･シニア。ギブスに背中を押され、彼女に救いの手を差し伸べようとする。

パーティーに参加していたトニーは、ブランスフィールド議員から突然２万ドルを渡される。さらにNCIS捜査官が死亡したという情報が入り、被害者は何とトニーのIDを持っていた。ギブスたちはトニーに成り済ました被害者が議員を恐喝していたと推測。さらに他の２人の議員もトニーの名をかたる者から恐喝されていたことが分かる。その一方で、マクギーとビショップは新しい空母の命名コンテストに応募する名前を考える。

海上輸送されてきたコンテナの中でイギリス人看守の死体が発見され、彼女が脱獄事件の人質だったことが判明。脱獄囚２人のうち１人は元MI６のスパイ、もう１人は殺人犯だった。当初はFBIのフォーネルが管轄権を主張するが、かつてスパイを逮捕したNCISが捜査を指揮し、フォーネルが補佐に回ることに。一方、トニーが破格の値段でマンションを購入していたことを知ったマクギーとビショップは、その理由を探り始める。

トム･モローの殺害を受け、トニーは容疑者スコットの手掛かりを追ってロシアへ。ヴァンスとフォーネルもイギリスに飛び、トニーがつかんだ情報を頼りに元MI6長官の行方を追う。一方、国内に残ったギブスたちは、軍人の家族が関係した不法侵入事件の捜査を行うことに。父親がイラクに派遣されて不在の中、14歳の息子が侵入者に発砲して追い払うのだが、アビーの分析によって彼の証言にはウソがあることが分かる。

フォーネルが重傷を負って救急搬送され、改めて容疑者ジェイコブ･スコットを捜し出すことを誓うギブス。FBIのモンロー捜査官と共に、スパイ事件の関係者の中で行方不明になっていた元NCIS捜査官２人を捜し始める。そのうちの１人ドレッサー捜査官の家を突き止めてギブスたちが突入すると、ドレッサーはすでに死亡しており、その場にはMI6のクレイトン･リーヴス、そして何とCIAのトレント･コルトの姿があった。

事件の黒幕トレント･コルトを追うギブスたちの元に、イーライ･ダヴィードの農場が爆発したというニュースが飛び込んでくる。そこにジヴァが住んでいるという情報を得ていたトニーは動揺を隠せず、テルアビブに飛ぶ準備を始める。その後、モサドのエルバズ局長が連れてきた人物がトニーの運命を左右することに。一方、チームはコルトがずっとアメリカ国内にいたのではないかと推測し、彼が爆発を外注した相手を突き止める。