Na de cliffhanger seizoen 19 finale, met speciaal agent Alden Parker nog steeds op de vlucht met zijn ex-vrouw Vivian, onderzoekt het team wie uit zijn verleden een persoonlijke vendetta tegen hem zou kunnen hebben in de hoop Parker's naam te zuiveren. Met de hulp van NCIS: Hawaï's speciaal agent Jane Tennant en computerspecialist Ernie Malick, die in de stad een ontmoeting hebben met regisseur Leon Vance ter voorbereiding van een wereldwijde militaire oefening, spoort de groep hun hoofdverdachte, The Raven, op.

McGee's persoonlijke leven en professionele leven kruisen elkaar wanneer een vader van de school van zijn kinderen in verband wordt gebracht met een inbraak in een opslagbunker van de overheid.

Wanneer een lijk wordt gevonden op een oude begraafplaats waarvan wordt gedacht dat deze vervloekt is, probeert het team het motief en de symboliek achter de misdaad te achterhalen. Terwijl Torres de therapie met dr. Grace voortzet, ontdekt hij dat hun leven in gevaar is.

Het verleden van agent Knight duikt weer op wanneer haar ex-vriend, een agent van National Parks Service, samenwerkt met NCIS om een ​​moord op een camping te onderzoeken.

Agent Parker komt in actie om directeur Vance te beschermen na een angstaanjagende huisinvasie. Ook ontdekt het team vorderingen in de opbloeiende romance tussen Jessica en Jimmy.

Wanneer een NCIS-agent dood wordt aangetroffen en Kasie vermist wordt, moet het team snel werken om de moordenaar te vinden.

NCIS moet de secretaris van de marine onderzoeken als haar man beweert dat ze hem probeerde te vermoorden.

Nadat een onbekende schutter chaos heeft veroorzaakt tijdens een jaarlijkse Thanksgiving 5K, is tijd van essentieel belang voor het NCIS-team om de dader te vinden. Ook vergezelt Kasie Knight voor de Thanksgiving-lunch in het huis van Knight's zus.

NCIS onderzoekt de dood van een student die werd vermoord terwijl hij over straat rende en connecties had met McGee's vrouw, Delilah.

NCIS-agenten uit Washington, DC, Los Angeles en Hawai'i, allemaal in DC om het pensioenfeest bij te wonen van een geliefde professor van het Federal Law Enforcement Training Center (FLETC), onderzoeken gezamenlijk zijn schokkende zelfmoord. De cross-over gaat verder op NCIS: Hawai'i S02E10 Deep Fake (II) en NCIS: Los Angeles S14E09 A Long Time Coming (III).

Parker ontdekt dat hij het slachtoffer is van identiteitsdiefstal terwijl hij onderzoek doet naar de ongebruikelijke moord op een vaandrig van de marine; Knight en Jimmy krijgen te maken met hindernissen in hun relatie naarmate hun band hechter wordt.

Wanneer een oude vriend van Torres naar hem toe komt, verfomfaaid en bebloed voor begeleiding tijdens een undercover FBI-operatie en vervolgens verdwijnt, helpt NCIS hem op te sporen. Ook bereidt McGee zich voor om deel te nemen aan een populaire spelshow

Ter voorbereiding op een rol volgt een wereldberoemde actrice het NCIS-team terwijl ze een onthoofdingszaak onderzoeken.

NCIS onderzoekt de dood van een rit-share-chauffeur die werd gevonden na een auto-ongeluk. Ook helpt de vader van Parker, die tijdelijk bij hem woont, het team bij hun onderzoek.

Het NCIS-team komt in actie om te onderzoeken wie verantwoordelijk is voor een mogelijke bioterreuraanslag in een parkeergarage in een stripwinkel; De vader van Knight krijgt te maken met een gezondheidsprobleem terwijl hij in Japan is.

NCIS werkt aan het oplossen van de moord op een marinier die lijkt te zijn vermoord omdat hij een Afghaanse vluchteling hielp. Ook weet Jimmy de druk van het opvoeden van zijn tienerdochter te doorstaan, die dolgraag uit wil gaan op een groepsdate zonder begeleiding.

Het NCIS-team graaft diep om een ​​luitenant van de marine te onderzoeken die ervan wordt beschuldigd haar man te hebben vermoord, maar zich de aanval niet kan herinneren. Kasie navigeert ook door een mogelijke medische schrik.

Agent Knight gaat viraal omdat ze een moeder en kind heeft gered van een mogelijk dodelijk auto-ongeluk.

NCIS werkt aan het oplossen van de moord op de dochter van een senator die een rebelse reputatie heeft en een grote online aanhang. Ook wordt Jimmy competitief met een oude universiteitsrivaal.

Wanneer er een verdachte moord plaatsvindt in het geheime gedeelte van het Nationaal Archief, moet de NCIS een reeks ontmoetingen met Russische spionnen onderzoeken die mogelijk verband houden met de misdaad. Ook doet Jimmy per ongeluk een bekentenis die de loop van zijn relatie met Knight zou kunnen veranderen.

Agent Torres zit in de gevangenis terwijl het team een ​​dreigende terreuraanslag op Amerikaanse bodem probeert te stoppen.