Alors que le service est sous le choc de la mort brutale de Kate, l'équipe de Gibbs doit impérativement mettre la main sur le responsable, Ari Haswari. Tom Morrow est remplacé à la direction par Jenny Shepard, une ancienne conquête de Gibbs. La traque de l'agent double, Ari, va mettre tous les membres de l'équipe à rude épreuve. D'ailleurs, un agent spécial est détaché du Mossad pour remplacer Kate, Ziva David...

Alors que Gibbs reste contrarié par la mort de Kate, il est surpris lorsqu'il apprend que Ducky a été kidnappé par Ari. En planque ensemble, Gibbs et Jethro sont victimes d'une fusillade et ressortent plus déterminés que jamais à coincer leur pire ennemi. Justement, la relation qu'entretient Ziva avec son demi-frère Ari va particulièrement les aider...

Le corps d'un homme est retrouvé dans une tombe datant de la Guerre Civile. Un fois exhumé et identifié, l'équipe découvre que la victime, un sergent, a été enterré vivant. Durant l'enquête Abby décèle son dernier appel téléphonique. Pendant ce temps, le nouveau directeur, Jenny Sheppard, informe Gibbs de la récente nomination de Ziva David comme agent à part entière du NCIS.

Un marin du nom de Jerry Smith est abattu au volant de sa voiture alors qu'il se disputait avec sa femme au téléphone. En interrogeant son responsable, l'équipe découvre un autre Jerry Smith, toujours en vie. Les empreintes du cadavre révèlent pourtant qu'il s'agit bien du " vrai " Jerry Smith. Le " faux " s'appelle en fait John Kirby ; les deux hommes ont servi ensemble dans le passé et auraient échangé leur poste et leur identité...

Dans le quartier résidentiel de la Navy, la femme d'un caporal, détaché en Irak, a disparu suite à la diffusion de son meurtre en direct via le site porno qu'elle alimentait. Lorsque le corps d'une autre femme de militaire, esseulée et adepte du même site, est retrouvée la gorge tranchée, les soupçons se portent sur le webmaster. Pour cette enquête, la directrice nomme un assistant circonspect pour seconder Abby, Charles Sterling.

Le capitaine Tanner est kidnappé en plein jour sous les yeux de son fils de six ans qui prévient immédiatement le NCIS. Tanner travaillait sur un projet Secret-Défense nommé Honneur dont lui seul possédait les codes de protection. Pendant que Gibbs se prend d'affection pour le garçon surdoué, son équipe découvre que le projet honneur est piraté, menaçant ainsi la sécurité du pays. Et au fur et à mesure de l'enquête, Tanner incarne de moins en moins le profil de la victime.

Tony et Ziva agissent sous couverture en se faisant passer pour un couple de tueurs à gages. Morts dans un accident de voiture, les tueurs devaient se rendre au Gala des Marins en présence des plus hauts chefs militaires et directeurs d'agences. La mission du NCIS consiste alors à identifier le commanditaire et la cible du couple, mais l'équipe s'aperçoit qu'ils ne sont pas les seuls sur cette affaire...

Tous les indices prélevés sur les deux jambes d'une femme retrouvées à l'orée d'une rivière, indiquent que Tony Dinozzo est le coupable. Bien que le NCIS considère leur agent victime d'un piège aux allures de vengeance, l'enquête est mise ente les mains du FBI. Pendant la garde à vue de Tony, Gibbs mobilise toute son équipe pour passer en revue les nombreuses affaires traitées par son agent et déceler le responsable. Ils ne sont au bout de leurs surprises !

L'équipe du NCIS escorte le chef des opérations navales, qui a reçu des menaces de mort par un groupe de défenseurs des droits de l'homme. Au cours de cette mission, McGee abat un homme qui semblait le menacer, seulement aucune arme n'est retrouvée. Par ailleurs, l'homme abattu se révèle être un policier en mission d'infiltration auprès d'un trafiquant de drogue. Alors que Jenny Shepard collabore avec la police pour déterminer s'il y a eu une bavure, Gibbs et son équipe font leur possible pour prouver l'innocence de McGee.

Pour le tournage d'une émission de télé-réalité, trois célèbres top models intègrent un camp de la Marine dans lequel elles subissent un entraînement militaire sous la direction du sergent McMannis. L'une d'entre elles est retrouvée morte, pendue à des barbelés. D'après l'autopsie, la jeune femme serait morte d'overdose, mais l'enquête révèle qu'elle avait cessé de se droguer depuis des années. Suspecté de lui avoir fourni la drogue, son ex petit-ami est recherché et retrouvé mort d'overdose lui aussi; une injection mortelle administrée alors qu'il était inconscient...

Pistant des marchandises suspectes, Tony et Ziva sont pris dans les feux d'une fusillade sur le port de Norfolk et se réfugient dans un container que les terroristes referment sur eux. Comme leurs GPS sont inefficaces, les deux agents tentent d'être repérés autrement. Gibbs se met à leur recherche avec la collaboration du chef de la sécurité.

Les membres du NCIS sont convoqués un dimanche pour une affaire d'enlèvement. Amanda Wilkerson, un officier des forces de protection responsable d'un chargement de combustibles nucléaires, appelle le NCIS et dit avoir été enlevée. Enfermée dans un coffre de voiture, la femme ne peut survivre que quelques heures, ce qui laisse très peu de temps à l'équipe pour identifier l'agresseur et localiser la victime...

Le NCIS enquête sur le meurtre de deux épouses de Marines, toutes deux d'origine asiatique. Un double homicide ressemblant à une exécution. L'un des maris, alcoolique notoire, est suspecté puis retrouvé avec l'arme du crime. Pourtant, l'homme est innocent. Gibbs pressent un règlement de comptes communautaire...

En démantelant un trafic de voitures fomenté par un Marines, les hommes de Gibbs tombent sur une tête humaine parfaitement conservée, appartenant au quartier maître Wayne, décédé et incinéré quatre mois auparavant. Le NCIS mène l'enquête du côté des pompes funèbres, dont un employé a disparu...

Gibbs et son équipe enquêtent sur l'explosion d'une ambulance qui transportait le corps d'un Marine décédé lors d'un accident de voiture. Mécanicienne chevronnée, Abby démontre que l'explosion n'était pas accidentelle. Plus encore, les prélèvements ADN révèlent qu'il ne s'agit pas du caporal en question. Le meilleur ami du Marine, qui a identifié le corps le soir de l'accident, est alors suspecté, de même que le père de la victime.

Des Rangers ont trouvé un marin tué avant d'être dévoré par un ours dans un parc national. Le NCIS recherche également la femme qui était en sa compagnie. Apparemment, le coupable serait un connaisseur des lieux, aguerri en matière d'arme blanche et camouflerait ses crimes par des morts accidentelles. Le NCIS a mis le doigt sur un tueur en série...

Le NCIS intervient sur une prise d'otage dans un lycée alors qu'un étudiant, enfermé dans une classe avec d'autres élèves, menace de faire exploser une bombe qu'il détient sur lui. Pour venir au secours d'une élève qui fait une crise d'asthme, Gibbs pénètre dans la salle et devient otage à son tour, laissant alors Dinozzo en charge des opérations.

En jouant sur une mare gelée, deux jeunes garçons découvrent le cadavre d'un homme sous la glace : celui d'un sergent chef, porté déserteur depuis son retour de la guerre en Irak. A la recherche d'indices sur les lieux, le NCIS découvre trois autres cadavres...

En enquêtant sur une affaire d'espionnage au sein du département de cryptologie du Pentagone, Tony et Ziva découvrent le cadavre d'une cryptologue à son domicile. L'équipe tente de déterminer s'il s'agit d'un suicide et si la femme était la taupe en question, avant de découvrir qu'elle n'était pas seule au moment de sa mort.

En travaillant sur un dossier en cours du NCIS, Abby manque d'être tuée en expertisant une des preuves. Plus tard, il apparaît clairement que cet accident a été mis en scène et que quelqu'un veut la mort d'Abby. Alors, ses coéquipiers listent le nombre de ses potentiels ennemi(e)s en sondant son passé...

Après l'arrestation musclée d'un dealer, pris avec 5 millions de dollars d'héroïne, celui-ci meurt brutalement, alors qu'il était escorté par Ziva dans l'ascenseur du NCIS. L'enquêtrice avoue lui avoir donné un coup de poing dans la jugulaire parce qu'il n'obtempérait pas, mais elle est certaine de ne pas l'avoir tué. L'affaire se complique lorsque le frère du dealer kidnappe la directrice Jenny Shepard et menace de la tuer s'il ne récupère pas la drogue ainsi que son petit frère.

Lors d'une enquête sur des terroristes proches d'Al Qaeda, Gibbs est sérieusement blessé dans l'explosion d'une bombe. Après quelques jours de coma, ce dernier se réveille avec une sérieuse perte de mémoire et se croit dix ans en arrière, au sortir de la guerre du Golfe. Son état de santé plonge ses coéquipiers dans l'expectative et compromet l'enquête que Tony reprend.

Le NCIS doit poursuivre son enquête, sans l'aide précieuse de Gibbs qui souffre toujours d'amnésie. Jenny Shepard contacte Muse Watson, l'ancien patron et mentor de Gibbs, qui lui apprend les événements importants de cette dernière décennie, comme l'attaque du 11 septembre 2001. L'enquête du NCIS révèle que Gibbs est le seul à avoir des informations sur la prochaine attaque terroriste ; il doit absolument retrouver la mémoire pour éviter un nouveau drame.