La femme et la fillette aveugle, précoce pianiste virtuose, du capitaine de marine Watson sont kidnappées chez elles, sans aucune effraction. Le ravisseur réclame le transfert de 2 millions de dollars sur un compte avant la fin de la journée. L'équipe de Gibbs utilise alors les mêmes procédés de piratage et de surveillance que le preneur d'otage pour déjouer son plan. Abby et McGee se chargent de cracker le Pentagone en quelques heures, réfugiés dans une morgue suite à la défaillance de la climatisation en plein été...

Alors qu'ils démolissent les maisons d'un quartier inhabité, deux ouvriers découvrent le corps d'une femme. L'équipe du NCIS constate que le cadavre se trouve dans un bunker décoré avec des meubles des années 50 et que la jeune femme, âgée de 22 ans et habillée en mariée, a été séquestrée pendant des mois, attachée à une chaîne par le poignet, avant de mourir asphyxiée. D'après l'analyse du docteur Ducky, il s'agit de l'oeuvre d'un tueur en série, obsédé par la femme parfaite et qui recommencera jusqu'à la trouver ; c'est pourquoi le NCIS se concentre sur la disparition d'une autre femme ayant le même profil que la victime...

Un hélicoptère de la Marine est retrouvé sans les pilotes dans un champ agricole marqué de plusieurs cercles. Tandis qu'Abby est chargée des analyses biologiques, le NCIS retrouve le co-pilote chez lui et apprend que le pilote est parti seul à bord du Cobra, après avoir reçu un coup de fil provenant d'une station essence, dont le propriétaire se révèle peut coopérant avec l'équipe. Par ailleurs, une cabane incendiée est découverte, ainsi qu'un cadavre dont l'ADN est quasi-similaire à celui du pilote...

Le cadavre d'une jeune femme lieutenant est découvert de nuit dans un parc à Norfolk. Aussitôt sur les lieux, Ducky est bouleversé par un trident estampillé sur le côté de la nuque. Ressurgit alors les souvenirs d'un meurtre signé de manière identique, dix ans plus tôt en 1994, lorsque des femmes ont embarqué pour la première fois sur des navires de guerre... Un homicide jamais élucidé où Ducky n'avait pu à l'époque identifier la victime travestie en officier ; seule exception dans sa brillante carrière. Gibbs met alors tous les moyens en oeuvre pour ne pas échouer, comme son prédécesseur, Jane Doe.

Lors d'une séance d'entraînement de tirs sur un terrain jonché de carcasses de voitures, un homme se réveille pieds et poings liés et se fait tuer avant d'avoir pu s'enfuir. Après enquête, l'équipe découvre qu'il s'agit d'un agent du FBI, infiltré dans un gang mafieux. Par ailleurs, le champ de tir contient d'autres cadavres et se révèle être un cimetière sauvage utilisé depuis des années par les truands pour se débarrasser des corps...

La voiture du commandant Nikki Shields, mère de famille, explose sur le parking d'un supermarché. Croyant à un acte de terrorisme, le FBI chargé de l'enquête débarque sur les lieux avant le NCIS, relayé à la protection civile. A l'époque, en Afghanistan, l'unité du commandant Shields avait bombardé des civils par erreur. Aujourd'hui, à quatre jours de son congé de fin de service, Nikki redeviendra une simple civile. Alors, Gibbs lance un ultimatum à son homologue du FBI, Lina Reyes, avant que le NCIS ne puisse plus se charger de la protection de la victime et de sa famille, dont la surveillance fait émerger quelques conflits sous-jacents. L'enquête mène finalement à une cellule d'Al-Qaeda dont le contact dans la région serait un ancien marines...

Le Caporal Ernie Yost, ancien combattant de la seconde guerre mondiale dans le corps des Marines et médaillé d'honneur, vient se constituer prisonnier au NCIS, se déclarant coupable du meurtre de son meilleur ami et coéquipier dans le Pacifique. Gibbs, dubitatif, intime l'ordre d'exhumation du corps au cimetière militaire. La correspondance entre l'arme et sa trace est parfaite, mais Gibbs ne décèle aucun mobile valable pour ce meurtre. Pourtant, la capitaine Coleman du JAG réclame l'arrestation immédiate de Yost ainsi que la destitution de ses honneurs militaires et de sa médaille.

3h00 du matin, le capitaine de frégate Mickael Bornan est immolé par le feu en plein sommeil sur son lit d'hôpital. De retour du golf depuis 4 jours, il s'était plaint de douleurs à la poitrine et fut rapidement opéré à coeur ouvert. Selon le docteur Bayers, responsable de l'intervention, le patient a mené la vie dure au personnel du service. Le NCIS conclut à un assassinat. Dinozzo est ravi de retrouver Paula Cassidy, agent en mission avec Bornan sur le Kennedy, qui lui confie les nombreuses inimitiés du capitaine. Notamment avec l'officier Evan Hayers, dont le père avait maintes fois remis en place le jeune Bornan, à l'époque sous ses ordres. Seulement, Hayers, n'affectionnant pas particulièrement l'uniforme, a déserté ses quartiers...

Laura Rowans, femme d'un major détaché en Irak, tire deux balles à bout portant sur Jérémy Davidson qui s'est introduit chez elle pour la violer. Gisant sur son lit d'hôpital, l'intrus explique que c'est un jeu érotique, Laura l'aurait invité à réaliser un fantasme. Mariée depuis 4 ans à un mari absent qui lui a quand même appris à se servir d'une arme à feu, Laura s'ennuie, sans enfant, dans le village militaire de County Co. En perquisitionnant l'appartement de Jérémy, le NCIS découvre une correspondance électronique suggestive établie depuis quatre mois, ainsi qu'une photo de Laura plutôt compromettante. Gibbs tente alors un interrogatoire intimidant de Laura...

Le NCIS organise une fausse évasion : l'agent Tony Dinozzo se trouve enchaîné à Jefferey White, soupçonné dans le vol d'antiquités provenant d'Irak. Relié à l'équipe par un GPS qui se trouve hors-service, Tony est contraint de semer des indices à Gibbs et Cate tandis que l'agent McGee correspond avec la secrétaire d'Etat sur l'évolution de l'enquête. Alors que Tony se prend d'affection pour Jefferey, l'équipe découvre qu'il est soupçonné dans trois meurtres où l'agresseur a exécuté ses victimes à l'arme blanche en leur tranchant la gorge...

Bryan McAllister, riche héritier, a disparu depuis déjà deux ans lorsque le NCIS apprend qu'un célèbre détective, Monroe Cooper, pense avoir trouvé son corps dans une voiture coulée au fond d'un lac. Une récompense est prévue pour celui qui trouvera le meurtrier. Cooper entend bien résoudre cette affaire dont il est à l'origine de la réouverture, quitte à coopérer avec Gibbs. Après examen du véhicule, l'équipe découvre la trace d'une balle et penche pour l'assassinat. Le NCIS focalise alors son attention sur le frère du défunt, Thomas McAllister, unique héritier et suspect idéal...

Le NCIS enquête sur trois cadavres retrouvés dépecés dans des gros cylindres. Ducky reconnaît l'un d'entre eux, qui avait la particularité d'avoir son orteil greffé à la place de son pouce. L'homme était procureur dans une affaire où le docteur avait témoigné. En cherchant les autres personnes disparues en rapport avec ce procès, l'équipe identifie les deux autres corps: le juge et le président du jury. Le procès concernait un certain Jonathan Hanlan, accusé du viol et du meurtre d'une jeune femme et envoyé huit ans en prison grâce au témoignage du docteur. Ducky se rend compte avec effroi qu'il est sur la liste des gens à abattre car, malgré la mort de Hanlan, le corps de l'inspecteur en charge de l'enquête à l'époque vient d'être livré dans le même état que les autres, au domicile du docteur...

Une jeune femme est témoin d'un meurtre dans l'immeuble en face de chez elle. Le temps qu'elle mette sa caméra en marche, l'agresseur et la victime disparaissent du champ mais elle a quand même pu distinguer un uniforme de marin. McGee, chargé de vérifier le bien-fondé de l'affaire parvient à convaincre Gibbs de la nécessité d'une enquête, malgré l'absence de cadavre. Sur place, l'équipe découvre les empreintes d'un autre marine, une arme et un coffret vidé de son butin. En assurant la garde de l'appartement en question, McGee, reçoit un appel de la jeune femme recherchée...

Le corps accidenté du sergent William Moore est retrouvé inanimé dans le parc protégé de Chenando alors qu'il filmait la nature aux alentours. Sa femme et son meilleur ami, le sergent Caine, ont constaté sa disparition alors qu'ils faisaient du camping. La théorie de la chute n'est pas concluante puisque l'autopsie révèle un coup mortel porté au crâne par une batte de base-ball. Aussitôt, le voisin de camping importun avec qui le défunt avait eu une altercation est soupçonné. Son casier judiciaire stipule un séjour en prison pour violence.

Un homme, propriétaire d'un bar, se réveille avec une femme morte dans son lit ; il s'agit d'un quartier maître qu'il ne connaît pourtant pas puisqu'il affirme que ce n'est pas avec elle qu'il a passé la nuit. Effectivement, les analyses le montrent. En enquêtant sur la victime, l'équipe découvre que le propriétaire du bar concurrent, surnommé " le bulldog " est le manager de la soeur de la victime. D'ailleurs, une de ses danseuses est retrouvée morte quelques temps plus tard...

Lorsque un quartier-maître reçoit par erreur un colis contenant des yeux humains, destiné à l'agent Horlacher, le NCIS ouvre une enquête. Le paquet fut expédié de Cuidad del Este au Paraguay, une zone transfrontalière à haut risque où l'armée américaine et les services de renseignement du monde entier côtoient des trafiquants en tout genre ainsi que des terroristes. Horlacher, élève au service de renseignements de la Marine, se suicide le lendemain, travesti en femme. Avant d'accomplir son geste, il a contacté son professeur Gayman Purcell, un ancien de la marine, spécialiste de la zone incontrôlable d'Amérique latine...

Lors d'un concours de bikini organisé à Virginia Beach, on découvre le corps de Tiffany Jordan dans les toilettes publiques. Soigneuse de son apparence, l'obsession de ce quartier maître était de perdre du poids pour faire la couverture du magazine coquin des marines. Or, l'autopsie révèle des vomissements dus à un début de grossesse, incompatible avec sa carrière. A son domicile, le NCIS découvre les lettres d'un admirateur emprisonné pour violence et récemment libéré. Mais la dernière personne à qui elle a téléphoné est son amie Lisa Kerr, professeur de Yoga tantrique.

Jessica Smith, quartier maître, prétend qu'un militaire a essayé de la tuer à son domicile. L'équipe du NCIS lui rend visite ; alors que la jeune femme explique qu'elle entend des voix et que les monstres sont après elle, son psychiatre intervient pour les prévenir qu'elle souffre de graves troubles psychologiques depuis la mort de son fiancé en Irak, et qu'elle doit être de nouveau internée dans un centre psychiatrique. La nuit suivante, Gibbs reçoit un appel de Jessica lui demandant de venir au plus vite, mais une fois sur les lieux, ils découvrent la jeune femme pendue dans sa chambre ... L'analyse corporelle effectuée par Ducky montre pourtant qu'il ne s'agit pas d'un suicide mais d'un meurtre...

Durant la semaine de bizutage au campus militaire du Connecticut, le corps du sergent Turner est retrouvé avec la nuque brisée et des contusions superficielles. Après avoir servi en Irak, Turner s'est inscrit à l'université et s'est retrouvé immédiatement être la cible des militants anti-guerre que soupçonne Gibbs. Le lendemain de cet homicide, le corps de Blake, l'unique ami de Turner, est retrouvé assassiné de manière identique. Sitôt, l'équipe du NCIS reçoit des mails cryptés d'un pirate sur le campus dénonçant la cellule rouge, un club secret de paint-ball auquel une dizaine d'étudiants adhèrent.

Alors que la Marine s'apprête à remettre à titre posthume la médaille d'argent (silverstar) au quartier-maître Dobbs mort au combat en Irak, les honneurs lui sont refusés à la découverte du corps de Norah Webb dans son hangar de location. Norah a disparu il y a deux ans, juste avant le départ de Dobbs, devenu le suspect idéal de la police à l'époque. Peu avant de s'engager, Dobbs avait confié une clé de ce hangar et son testament à une amie, Emy Pole, qui ne tarde pas à se suicider. Le JAG impose un ultimatum de 24 heures au NCIS pour résoudre l'affaire, avant l'enterrement.

Un matin, Tony ouvre machinalement une lettre adressée aux agents spéciaux du NCIS, contenant de la poudre grise infectée par la peste. Aussitôt, le service entame une procédure de décontamination et tout l'équipe est mise sous quarantaine. Mais seul Tony réagit positivement aux tests. Le mystérieux expéditeur exige la réouverture d'un dossier classé sans suite : le viol de Sarah Lowel par plusieurs officiers. Le reste de l'équipe a trois jours pour découvrir le responsable et résoudre l'affaire, délai au bout duquel le virus, génétiquement modifié, va tuer Tony.

Le NCIS est appelé sur une route de campagne en Virginie pour enquêter sur l'assassinat peu ordinaire de deux lieutenants en permission, qui ont eu les mains sectionnées. En fait, leurs empreintes sont nécessaires pour entrer sur leur lieu de travail : un terrain d'essai pour des armes militaires ultra sophistiquées et classées secret défense. Mais, avant tout examen préalable, la voiture des victimes explose au nez de l'équipe. Quelqu'un vise spécialement Gibbs et le NCIS, qui sollicitent l'appui du FBI. Justement, Ari Haswari, l'agent double du Mossad, est de retour...