Dopo la partenza di Tony DiNozzo, Gibbs è alla ricerca di un nuovo agente per sostituirlo, ma respinge continuamente le reclute che vengono inviate in prova, per i motivi più assurdi. Questo porta l'agente Alexandra Quinn, che addestra tutti gli agenti NCIS, a recarsi personalmente a Washington DC per capire quale sia l'agente più adatto per entrare nel team. Nel frattempo, il cognato dell'agente Nicholas Torres, un agente infiltrato in una pericolosa organizzazione criminale e scomparso tempo dopo, viene assassinato. Il team riesce a rintracciare Torres e cerca di capire se sia rimasto fedele o meno all'agenzia. Gibbs e Vance decidono di fidarsi di lui e collaborando riescono ad arrestare i membri della famiglia Silva, in cui Torres si era infiltrato negli ultimi mesi. Al termine della missione, l'agente Quinn individua in Torres il perfetto sostituto di Tony. Il giovane agente, benché non abbia mai lavorato in un team, accetta la proposta di Gibbs. Al termine dell'episodio, Jethro propone anche ad Alex Quinn di entrare nella squadra e quest'ultima accetta. La squadra è nuovamente al completo, pronta a risolvere nuovi casi.

La rinnovata squadra di Gibbs indaga sul figlio di un Marine, che è rimasto avvelenato in circostanze misteriose.

Mentre la squadra investiga su un sergente che è precipitato da un edificio, la dottoressa Grace Confalone, psicologa di Gibbs, gli confida che dovrebbe trattare il caso come fosse un omicidio e non un suicidio, poiché la donna morta era una sua paziente e non pensa che possa essersi buttata giù di proposito. Intanto, Torres è in cerca di un posto dove abitare.

Quando il corpo di un tenente viene ritrovato a bordo di una portaerei durante una tiger cruise, in cui viene data a degli ospiti civili la possibilità di trascorrere una notte sulla nave, Gibbs, Quinn e Palmer vi si recano per indagare riguardo alle circostanze dietro la morte del marine. Nel frattempo, McGee pensa alla proposta perfetta per chiedere a Delilah di sposarlo.

Quando un marine viene ucciso, le indagini della squadra si spostano a Filadelfia, dove Quinn e Bishop sono inviate da Gibbs, per aiutare l'agente Clayton Reeves a ritrovare un collega dell'MI6, scomparso in circostanze misteriose mentre indagava su alcuni trafficanti di armi. Nel frattempo, Alex rievoca un doloroso episodio del suo passato, che dodici anni prima le fece abbandonare il ruolo di agente sul campo.

La squadra indaga sul rapimento di una giovane marine che per fuggire ha ucciso l'uomo che la teneva in ostaggio. Il caso porterà Gibbs e i suoi ragazzi ad indagare sul marito della ragazza, misteriosamente scomparso e legato ad un giro di società fantasma di cui era il prestanome.

La squadra si trova a dover risolvere l'omicidio di un marine all'interno di un negozio di liquori. Con gli sviluppi del caso un altro marine rischia di essere rimpatriato in Messico benché non sia collegato al caso. Nel frattempo McGee, Abby, Bishop e Torres si contendono l'appartamento di Tony, che Senior in persona è venuto ad affittare. Benché Torres si aggiudichi l'appartamento decide poi di lasciarlo a Tim, permettendogli di vivere in una casa nuova con la futura moglie.

Il team indaga sull'omicidio di un cappellano della marina che è stato ucciso poiché stava tentando di aiutare un prigioniero accusato di essere un terrorista ma in realtà innocente. Nel frattempo Bishop, in occasione del Ringraziamento, riceve la visita dei suoi tre fratelli. Gli stessi insistono per sapere chi sia il suo attuale boy friend. Appreso che si tratta di un collega di Elly, i tre fratelli si scatenano in indagini. Alla fine si scoprirà che si tratta di Kazeem, il giovane interprete che, tempo addietro (episodio 12x21), lei e Gibbs avevano riportato in USA dall’Afghanistan.

Reeves viene trasferito a Washington in pianta stabile poiché ha accettato di compiere una missione molto pericolosa chiamata Willoughby. Nel frattempo il team indaga sulle minacce ricevute da una deputata del Congresso che si trasforma poi in omicidio del suo assistente.

La squadra indaga sull'omicidio di un marine che sembrava stesse cercando la madre di Ducky, deceduta quasi sei anni prima. Durate il caso il dottor Mallard dovrà affrontare una ferita del passato ancora aperta.

L'operazione Willoughby, che coinvolge diverse agenzie di intelligence fra cui NCIS e MI6, per catturare Kai Chen, un pericoloso terrorista cinese, ha inizio. Reeves finge di essere uno dei suoi piloti ma la sua copertura salta e il jet che avrebbe dovuto pilotare esplode. L'agente tuttavia si salva e il team inizia ad indagare. In seguito, si scopre che una talpa all'interno della task force formata appositamente per la cattura di Chen, teneva informato il criminale da mesi. Kazeem, fidanzato di Ellie e agente del NSA che collabora nelle indagini, viene gravemente ferito da Edward Jintao, l'uomo più fidato del terrorista cinese, così da impedirgli di tradurre una conversazione in cui probabilmente sono contenuti dettagli riguardanti il prossimo attentato che, secondo la confessione della talpa, sarà a New York. Torres e Quinn catturano Jintao che però si suicida, mentre il suo capo resta a piede libero. Kazeem viene ricoverato d'urgenza ma per lui non c'è più nulla da fare, dal momento che il suo cervello è rimasto troppo tempo senza ossigeno. Ellie lo assiste nei suoi ultimi attimi di vita, e, mentre lo tiene per mano, su consiglio di Reeves, pensa a tutte le cose buone che li hanno uniti.

Mentre sta facendo colazione al solito bar, Gibbs vede un uomo passare sulla strada. Si tratta di un individuo coinvolto in un vecchio caso irrisolto, relativo alla sparizione di alcune barre di uranio impoverito. Gibbs in un batter d’occhio riprende l’identità di una sua vecchia copertura, lo zoppo Leland Spears, ed avvicina l’uomo. La squadra inizialmente teme che Gibbs sia nei guai, poi, compresa la situazione, si mobilita per dargli tutto l’appoggio necessario a chiudere definitivamente il caso.

L’indagine è legata alla morte di un capitato di Marina travolto da un’auto pirata sotto gli occhi del figlio adolescente. Palmer si accorge che il ragazzo è in piedi su un cornicione e minaccia di buttarsi. L’assistente del Dr. Mullard, senza esitare, sale sul cornicione e, nella speranza di farlo desistere dai suoi intenti, comincia a raccontargli della sua vita, del suo lavoro, dei suoi amici….

La morte di una giovane ufficiale di Marina porta il team di Gibbs a scartare uno ad uno i presunti sospetti, finché le indagini si indirizzano sul marito della stessa che, con un’abile stratagemma è riuscito a crearsi un alibi praticamente perfetto. Durante l’indagine, il team collabora nuovamente con il club di appassionati di investigazione noti come “Gli Sherlocks” ai quali si è aggiunto anche Anthony DiNozzo Senior.

Abby viene incaricata di collaborare con un team della Sicurezza Nazionale per ideare il miglior piano terroristico per una attacco con gas sarin in un palazzetto dello sport ove si terrà un concerto (con lo scopo di fermare un attacco di cui si teme la messa in opera). Ma il piano ideato da Abby si rivela il vero attentato, e la giovane analista forense viene arrestata. Gibbs e compagni dovranno trovare il vero ideatore del piano e scagionare l’amica. Sul finale si scopre che, dal data base della Sicurezza Nazionale è stato sottratto un elenco di tutti i piani terroristici, ideati a tavolino, per testare la capacità di reazione della sicurezza statunitense. L’hacker responsabile pare abbia agito da New Orleans. Il direttore Vance chiama in causa Dwayne Cassius Pride ed il suo team

Kai Chen, il pericoloso terrorista cinese, è di nuovo in città, ed il team cerca in tutti i modi di catturarlo per chiudere, definitivamente, il caso. Bishop, nonostante sia stata esplicitamente esclusa dalle indagini, per il rapporto che la legava a Kazeem, una delle vittime di Kai Chen, continua ad indagare per conto proprio, scontrandosi con Gibbs. Alla fine Bishop riesce a restare faccia a faccia col terrorista, e lo pone di fronte ad una scelta a senso unico…

Durante un cambio di turno su una nave della Marina, un sottufficiale non si presenta al suo posto. Dopo le dovute ricerche, l’equipaggio conclude che lo stesso è caduto fuoribordo. Il caso passa nelle mani del team di Gibbs. Jethro viene contattato dalla figlia di un ammiraglio suo amico, che si trova in ospedale per un male incurabile. La stessa, che è un ufficiale di Marina e che conosce il sottufficiale scomparso, ritiene che non si tratti di una disgrazia, ma di un omicidio.

Durante la visita di un gruppo di reduci al muro dei caduti della guerra del Vietnam, un giovane sottufficiale accompagnatore stramazza a terra, colpito da una freccetta intinta in una potentissima tossina. Gibbs e soci indagano sulla morte del soldato, con la riluttante collaborazione di un anziano ex-sergente, che darà del filo da torcere a Reeves. McGee e Bishop, intanto, cercano di capire se c’è un fondo di verità in una voce che circola, secondo la quale Quinn e Torres avrebbero avuto una relazione ai tempi in cui lui era allievo, e lei istruttrice, all’accademia dell’NCIS.

Un ammiraglio chiede l’aiuto di McGee poiché il suo laptop è stato infettato da un potente ramsonware. Quando anche i telefonini della squadra diventano vittima del virus, Il direttore Vance decide che è ora di trovare l’hacker responsabile. Nel frattempo Quinn ha problemi con la madre, affetta dal morbo di Alzheimer.

Un marine muore mentre aiuto un motociclista a sfuggire alla polizia che lo insegue. Il team indaga su una banda di crossisti che compie rapine, e Torres riconosce il gruppo, nel quale era stato infiltrato alcuni anni prima. La vicenda porterà Nick a fare i conti con il proprio passato.

Il team si trova a collaborare con la polizia a cavallo del parco nazionale, per risolvere un caso di spaccio ed omicidio. Gibbs dimostrerà un’insospettabile conoscenza e passione per i cavalli.

La strana morte di un marinaio, addetto alle cucine su una nave della Marina, porta Gibbs, Bishop e Quinn a bordo del natante. Nel frattempo lo stress dovuto alla preparazione delle nozze tra Tim e Delilah, porta quest’ultima in ospedale. Qui la donna scopre di essere incinta. La puntata si conclude con i due che, rinunciando al matrimonio sontuoso che avevano in mente, si sposano, nell’intimità della loro casa, davanti ai pochi veri amici: il team, il Direttore Vance, Abby, Ducky e Palmer, che per l’occasione, dopo aver preso la licenza su internet, celebra la funzione.

Il team indaga sul corpo depezzato di un Navy Seal rinvenuto in Paraguay. Quando si scopre che i militari scomparsi sono due, gli accertamenti del Dottor Mallard e di Abby permettono di capire che il corpo è di uno dei due, ma una mano è del secondo. Lo stesso viene ritrovato, ancora vivo, mediante l’uso di un satellite. Gibbs, McGee e Torres partono alla volta del Paraguay per recuperare il soldato. Qui scoprono che questi, con il compagno, aveva in programma di attaccare un campo base di un gruppo di violenti ribelli, per liberare tre ragazzini del posto, rapiti per essere trasformati in bambini soldato, Tra questi il figlio di un contadino che, in occasione di una loro precedente missione in quella zona, aveva salvato la vita alla squadra Seal. Gibbs decide di portare a compimento la missione privata del Navy Seal, prima di salire sull’elicottero che li esfiltrerà. La squadra attacca il campo dei ribelli e recupera i tre ragazzi, ma la cosa si dimostra più complicata del previsto: la squadra si apre la strada verso la zona di atterraggio inseguita dai ribelli e per permettere all'elicottero di decollare Gibbs e McGee, che sta per diventare padre, restano a terra a coprire il decollo, a corto di munizioni, circondati dai ribelli armati, mentre l’elicottero con a bordo Torres si allontana...