L'équipe du NCIS s'intéresse à l'explosion d'une voiture à Washington. Le nom de l'agent spécial Nick Torres refait surface au cours de l'enquête, alors que ce dernier avait disparu six mois plus tôt lors d'une mission d'infiltration en Argentine.

Le fils d'un Marine est empoisonné peu après avoir installé une bombe lors de retrouvailles entres anciens lycéens. L'équipe enquête alors sur un rèseau de voleur millionnaire.

Une sergente des marines se jette en bas de sept étages, alors que cette mort qui ressemble à un suicide, son psychologue, Grace Confalone conseille plutôt à Gibbs d'enquêter sur un meurtre.

Gibbs, Quinn et Palmer se rendent sur un destroyer où le cadavre d'une navigatrice de la Marine a été trouvé dans un compacteur de papiers. L'affaire est d'autant plus sensible que plusieurs dizaines de civils se trouvent à bord. Son cousin est interrogé par les agents mais ne se montre pas très coopératif. Bientôt, Gibbs comprend qu'il y a un imposteur à bord. Parallèlement, McGee cherche le bon moment pour demander Delilah en mariage.

L'agent des services secrets britanniques Clayton Reeves contacte le NCIS lorsqu'un de ses hommes disparaît dans un endroit de Philadelphie, où le corps d'un matelot est découvert. Envoyée sur place avec Bishop, Quinn doit faire face à un traumatisme de son passé, qui l'a fait quitter le service actif pour devenir instructeur. Par ailleurs, McGee aide Torres à mieux se servir des outils informatiques, qui lui font plus peur qu'autre chose...

L'équipe enquête sur Kelly Ristow, quartier-maître, portée disparue, et dont les empreintes ont été relevées sur une scène de crime. Les premiers indices laissent penser que la jeune femme était séquestrée sur place et qu'elle est parvenue à s'enfuir après avoir tué son ravisseur. Interrogée par Ellie et Alex, Kelly affirme s'être ensuite rendue à l'aéroport à la demande de son mari, Chris.

Un marine travaillant pour le département sécurité de la base navale, est retrouvé mort assassiné dans une épicerie de quartier. L'équipe pense qu'il s'agit d'un braquage qui a mal tourné. Parallèlement, les agents apprennent que Tony a décidé de s'installer définitivement à Paris et qu'il a mis son appartement en location. Quant à Alex, elle est troublée par un rêve érotique qu'elle a fait.

Gibbs et son équipe enquêtent sur la mort sur un aumônier de la Navy qui est décédé lors d'un accident de voiture. L'autopsie de Duckie révèle qu'il s'agit d'un meurtre. McGee découvre que le défunt était en possession de fichiers sur les détenus de Guantanamo. Parallèlement, Bishop reçoit la visite inattendue de ses frères pour la fête de Thanksiving. Leur présence envahissante perturbe un peu l'enquête.

Jenna Flemming, une élue du Congrès, membre de la commission d'affectation des bases militaires, reçoit des menaces de mort. L'équipe du NCIS est aussitôt alertée et chargée d'enquêter sur les éventuels ennemis qui pourraient souhaiter sa disparition. Le directeur Vance se charge personnellement d'organiser la protection de la députée. Les choses se compliquent lorsque l'assistant personnel de Flemming est assassiné.

Le NCIS enquête sur le meurtre d'un capitaine de la Navy qui a été empoisonné puis abandonné dans un terrain vague. Les agents trouvent sur la victime un document sur lequel l'adresse de la maison où Ducky vivait avec sa mère avant son décès est écrite. Leurs recherches révèlent que les affaires internes enquêtaient sur le défunt car il était soupçonné de vendre des secrets militaires.

L'opération Willoughby est relancée après de nouvelles informations sur un terroriste. Toute l'équipe du NCIS est mobilisée ainsi qu'un agent de la NSA. Qasim Nassir, le petit ami de Ellie Bishope, apporte également son aide dans cette traque.

Gibbs devait donner un cours de préparation au terrain à de jeunes recrues, mais il ne s'est pas présenté. Personne n'a eu de ses nouvelles depuis. Gibbs a bel et bien disparu. Même Leon Vance, le patron, est inquiet. McGee et Torres décident de se lancer à sa recherche. Ils se rendent dans le petit resto où leur collègue a l'habitude de prendre son petit-déjeuner. La seveuse leur confirme qu'il est bien venu le matin même, mais qu'il n'est pas resté longtemps. McGee réussit à convaincre Abby de traquer le signal du téléphone portable de Gibbs...

Le meurtre d'un sous-officier dans une petite ville contraint le NCIS à travailler une nouvelle fois avec «Les Sherlocks». Cette équipe d'enquêteurs indépendants travaille sur des affaires classées non-élucidées pour essayer de les résoudre. Les hommes du NCIS découvrent à cette occasion que ce groupuscule compte un nouveau membre parmi eux. Il s'agit du père d'Anthony DiNozzo, que les enquêteurs du NCIS connaissent très bien...

Après que le groupe de réflexion sur la sécurité intérieure d'Abby soit compromis et qu'elle se retrouve avec une vraie bombe, l'équipe du NCIS découvre que le chef d'un groupe a été assassiné et qu'un livre théorique sur la terreur a été volé.

Bishop est plus déterminée que jamais pour venger le meurtre de Qasim, son dernier petit-ami, après que Gibbs et son équipe trouvent une nouvelle piste dans l'affaire sur Chen. Pendant ce temps, Torres apprend aux agents l'art de la dérobe, pratiquée par les pickpockets.

McGee découvre que son appartement a été retourné par un cambrioleur essayant de localiser un article de grande valeur caché quelque part par un criminel arrêté. Pendant ce temps, le Député du Congrès Flemming essaye de persuader le Directeur Vance de poursuivre une carrière politique.

Pour réaliser le souhait d'un marin mourant, Gibbs et son équipe du NCIS rouvrent une enquête sur un meurtre qui avait été classé comme un accident. Pendant ce temps, l'affaire rappelle à Torres un moment tragique de son passé.

Quand un Marine est assassiné lors d'un évènement pour l'Honor Flight Network , un organisme à but non lucratif qui organise pour les vétérans la visite de mémoriaux sur la Seconde Guerre mondiale, les guerres de Corée et du Viêt Nam gratuitement, l'équipe du NCIS doit s'appuyer sur un vétéran de la guerre du Vietnam, Henry Rogers pour fournir des détails sur la localisation de la victime tout au long de la journée. Pendant ce temps, McGee et Bishop enquêtent sur une rumeur juteuse sur Quinn et Torres.

Après que l'ordinateur d'un vice-amiral est infecté par un logiciel de rançon, il enrôle McGee et l'équipe du NCIS pour retrouver le hacker avant que le virus élimine ses dossiers personnels et professionnels. Pendant ce temps, Alex prend des congés pour aider sa mère, Marie Quinn, après avoir reçu un SMS contenant un code d'appel à l'aide.

Torres doit s'appuyer sur de vieux cahiers et contacts après que le meurtre d'un Marine est lié à un ancien groupe de vaisseaux de terre qu'il a rejoint pour une opération d'infiltration pendant un an.

Après qu'un sergent des marines est retrouvé assassiné dans le Parc National, Gibbs et son équipe font équipe avec le sergent de la police monté May Dawson pour résoudre une série de meurtre liée au parc.

Le stress du mariage imminent de McGee et Delilah laisse des traces alors que Delilah est transportée à l'hôpital. Pendant ce temps, l'équipe du NCIS se rend en mer après qu'un jeune officier en bonne santé d'un destroyer soit mort dans son sommeil.

Gibbs, McGee et Torres se rendent dans une région éloignée au Paraguay, contrôlée par un groupe de rebelles violents, dans le but de localiser un Navy SEAL disparu lors d'un voyage non autorisé.