Alcuni giorni seguenti alla morte dell'agente Kate Todd, la squadra si accorge a poco a poco che la donna non è stata presa per errore ma Ari l'ha uccisa volontariamente. Ari stesso si apposta al di fuori della sede dell'NCIS e spara un colpo mancando Abby e Tony. Le altre organizzazioni federali però non credono che la loro talpa possa aver ucciso Kate e difatti Gibbs non ha prove che lo possano confermare.

Fanno la loro prima comparsa Jennifer Shepard, il nuovo direttore dell'NCIS di Washington DC e ex compagna di squadra e di vita di Gibbs, e Ziva David, agente Mossad il cui compito è impedire che Gibbs uccida Ari. Ari chiama il dottor Ducky Mallard e lo convince ad incontrarlo da solo per raccontargli la sua versione dei fatti..

Ari rapisce Ducky, mentre Tony scopre che Ziva ha consegnato un passaporto francese falso per Ari a un'altra ragazza con la stella di David al collo. Con abili stratagemmi Ari riesce a sfuggire al pedinamento di Gibbs facendo uccidere a costui un certo Mohamed Esfiri, terrorista statunitense, che viene trovato in possesso del Bravo 51 che ha ucciso l'agente Todd.

L'ovvia conclusione è che sia lui il cecchino e non Ari. L'istinto di Gibbs però gli suggerisce che Esfiri fosse lì proprio per sviare i sospetti da Ari. Gibbs torna a casa e trova Ari nella sua cantina con in mano il fucile da cecchino che usava quando era un marine, lo stesso tipo di fucile che ha ucciso Kate.

Un maniaco condannato a morte chiede di poter parlare con Gibbs dopo dieci anni dalla sua cattura. Per Gibbs è forse l'ultima occasione per trovare i cadaveri. Ma un emulatore rapisce l'agente Cassidy.

Il cadavere di un marine viene ritrovato all'interno di una tomba conservata in un museo. Nel frattempo Ziva David viene assegnata ala squadra di Gibbs come agente di collegamento fra NCIS e Mossad.

La squadra si trova ad indagare sulla morte di un sottufficiale della marina. Ma ben presto un secondo uomo afferma di essere lui ad avere quel nome. Si indaga dunque su un caso di furto d'identità.

La squadra indaga sul un uomo scomparso che sembra essere legato ad un sito di pornografia. Abby viene affiandata da Chip Sterling il suo nuovo assistente.

Un tenebre della marina che conosce i codici di accesso di un progetto segreto denominato Onore viene rapito. Il team indaga per conservare la sicurezza nazionale. Gibbs fa amicizia con il figlio della vittima, molto legato al padre.

Ziva e Tony, per scoprire chi aveva ingaggiato due sicari morti in un incidente d'auto, ne assumono l'identita. E mentre indagano sono sempre più attratti l'uno dall'altra. Ducky esamina i corpi per scoprire dettagli che permettano ai due agenti di perfezionare la propria interpretazione mentre McGee finge di essere un cameriere dell'albero per supportare le indagini dall'interno. Si scopre presto che anche l'FBI sorveglia Tony e Ziva tramite due agenti (credendo erroneamente che siano proprio i due assassini), cosa che provoca un possibile contrasto tra l'NCIS e l'FBI, che viene sistemato da Gibbs e Fornell, che in realtà amici che fingono antipatia reciproca in pubblico. Alla fine viene alla luce che i due assassini erano il vero bersaglio poiché avevano deciso di ritirarsi dalle attività criminali, essendo la donna incinta, e di voler condurre una vita onesta dopo un ultimo colpo per mettere da parte abbastanza denaro per ricominciare da capo e la loro assicurazione, un file microscopico contenente tutti i dati sui loro clienti, è il vero obiettivo dei clienti dei tre killer assoldati per ucciderli. I due vengono legati e Tony picchiato, due dei tre killer vengono fermati da Gibbs e McGee mentre l'ultimo, in procinto di uccidere Tony, viene fermato dallo stesso DiNozzo, che riesce ugualmente a difendersi.

Tony è accusato dell'omicidio di una donna il cui corpo è stato trovato a Quantico. Le prove sono schiaccianti, e l'NCIS deve dimostrare il contrario.

McGee, mentre si trova in servizio, uccide un poliziotto in incognito. Ma McGee è innocente e l'NCIS deve dimostrarlo.

Mentre si sta girando un reality show in una base della marina, una modella viene trovata morta e la squadra NCIS è chiamata per trovare il colpevole.

Mentre indagano in un cantiere navale in cerca di armi di contrabbando Tony e Ziva scompaiono. Intanto i due stavano discutendo sul perché Ziva non abbia invitato Tony a cena la sera prima.

Un ufficiale che è incaricato di spedire un carico di barre di uranio viene rapito e lo riesce a comunicare ma poi sparisce del tutto e l'NCIS deve trovarlo prima che sia troppo tardi.

La squadra indaga su un furto d'auto e trova nel bagagliaio la testa di un ufficiale cremato.

Un'ambulanza si incendia mentre trasporta la salma di un marine, ma non si tratta di un incidente e la squadra è chiamata a scoprire il movente.

Durante una visita guidata in un parco nazionale un ranger ritrova un marine divorato da un orso, le indagini porteranno la squadra alla ricerca di un serial killer.

Il quindicenne Cody, figlio di un militare, preso di mira da un bulletto, un giorno si presenta a scuola con una bomba attaccata al petto e prende in ostaggio una classe della sua scuola. Gibbs si introduce al posto di una compagna uscita dalla classe per prendere l'inalatore di un'altra compagna sofferente di asma. Ben presto la squadra scopre che la madre pare sia morta un anno prima (anche se lui dice di averla vista il mese prima), e che Cody e la sua bomba sono controllati da qualcuno di esterno. In seguito troveranno i colpevoli e si viene a sapere che la madre di Cody a causa di testimonianze contro il cartello colombiano della droga, ha dovuto fingersi morta per non far accadere nulla ai suoi familiari.

Due ragazzini trovano un corpo sepolto sotto una lastra di ghiaccio, poi si scopre che i corpi erano 4, un marine e tre appartenenti ad una gang.

L'NCIS indaga su una fuga di notizie top secret e scopre che la talpa si è suicidata, ma non tutti i suicidi sono veramente tali...

La squadra si trova a indagare in un appartamento in cui è stato compiuto un brutale omicidio. La valigetta contenente cocaina fa pensare a una consegna andata male. Abby intanto è coinvolta in un'indagine in cui deve testimoniare. Mentre McGee le fa visita nel laboratorio rischiano entrambi di morire a causa dell'acido cianidrico proveniente dalla cocaina che la ragazza stava analizzando. Gibbs si occupa immediatamente del caso e mette Abby sotto protezione, costringendola a dormire a casa di McGee. Si scopre così che Abby in passato aveva frequentato un giovane che ripuliva scene del crimine. Quest'ultimo era stato allontanato sotto diffida di Abby stessa. Seguiranno una serie di persecuzioni da parte di Michael che spingeranno la ragazza a rimanere chiusa nell'ascensore dell'N.C.I.S. Ben presto si scoprirà che Michael però era solo un diversivo.

L'NCIS arresta un trafficante di droga e siccome non voleva entrare in ascensore Ziva lo colpisce con un pugno alla giugulare e questo muore ma Ziva dichiara che il pugno non era abbastanza forte da uccidere. Intanto il direttore Shepard viene rapita dal fratello del morto che vuole che gli sia restituita la droga e sia rilasciato il fratello.

Mentre l'NCIS sta indagando su una nave turca Jethro Gibbs viene investito da un'esplosione nella quale rimane ucciso un agente dell'NCIS sotto copertura. Gibbs viene portato all'ospedale in coma e sogna la morte di sua moglie e sua figlia.

Gibbs si risveglia dal coma ma non ricorda gli ultimi 15 anni. In suo aiuto arriverà il suo ex mentore, Mike Franks, chiamato dalla direttrice Shepard direttamente dal Messico, dove era andato a vivere dopo essere andato in pensione precocemente, undici anni prima. Si scopre, oltretutto, che Gibbs aveva una moglie, Shannon, e una figlia, Kelly, di cui nessuno sapeva niente, nemmeno il suo amico di vecchia data, Ducky. Le due erano state uccise nel 1991 da un trafficante d'armi (Pedro Ernandez) contro cui Shannon doveva testimoniare: aveva sparato all'agente che guidava l'auto in cui le due stavano viaggiando, uccidendolo, Shannon e Kelly (8 anni) morirono nell'impatto. Intanto Gibbs era in guerra in medio oriente. Gibbs tornato a Washington e fuggito dal coma, conosce Mike, che stava indagando sul caso della moglie e della figlia, quest'ultimo gli fa leggere il fascicolo dell'uomo che le aveva uccise in modo che Gibbs potesse ottenere la sua vendetta. Ziva gli fa visita facendogli tornare la memoria con uno scappellotto così Gibbs torna all'NCIS pronto a sventare il piano terroristico di Pin Pin Pula, ma non viene ascoltato; decide così di dare le dimissioni, affidare la squadra a Tony e raggiungere il suo mentore in Messico.