After the terrorist's attack, the NCIS team is shocked and is trying to cope with Kate's sudden death, each in their own way. Now, their mission is to collect all the possible info on Ari and find a way to stop him before he does any more damage. Meanwhile, while feeling guilty over Kate's death, Gibbs is informed that the NCIS director is leaving, and the replacement is Jenny Shepard, a woman Gibbs worked with in the past and had a romantic history with.

Still stressed over Kate's death, Gibbs is even more hurt when Ari kidnaps Ducky and decides to play with his mind. Gibbs sends Tony to follow Ziva, and after Jenny and Gibbs are almost shot to death, he is even more determined to finish once and for all with Ari, and Ziva's strange connection to Ari will be just the help that he needs.

Gibbs is ordered to talk to a convict that is about to be executed, in order to discover information about the place where he hid his victims, but when the plan doesn't work, the team must solve the case in their own way.

סוכנת המוסד זיוה מצטרפת לצוות של גיבס, והתיק הראשון שלה הוא מקרה מסתורי של שרידי גופה מהתקופה האחרונה שנמצאו בארון קבורה מימי מלחמת האזרחים.

קצין בחיל הים נורה ונהרג על הכביש המהיר. הצוות מתפלא לגלות שאדם עם אותו השם, דרגה ועבודה - הינו בחיים.

הצוות מחפש אחר אשתו הנעדרת של חייל הממוקם בעיראק. מסתבר שהיא ניהלה אתר פורנוגרפיה מביתה, ויכול להיות שנרצחה מול מצלמת הווב-קאם. טוני מגלה שדעותיה של זיוה לגבי מיניות דומות לדעותיו שלו.

הצוות מחפש אחר מפקד בחיל הים, שנעלם באותו היום בו חלה פריצה באבטחה של תוכנה שהיה לו קוד אליה. במהלך החקירה, גיבס שומר על בנו הקטן של הנעדר, שמזכיר לו את עצמו.

צוות הזיהוי הפלילי אוסף ראיות מזירת רצח, המצביעות על כך שטוני הוא החשוד המרכזי. היחידה מזדרזת לגלות מי הפליל אותו.

הצוות מגן על מקגי לאחר שירה באדם שלפי טענתו כיוון אליו נשק, ואשר מתגלה כשוטר סמוי.

הצוות חוקר את מה שנראה כהתאבדות של דוגמנית-על שהשתתפה בתכנית ריאליטי אשר צולמה בבסיס של המארינס.

במהלך חיפושם אחר ספינת מבריחים, טוני וזיווה נלכדים וננעלים במיכל, והצוות מנסה לאתר אותם.

קצינת חיל הים נחטפת, והמקרה הופך לבהול כאשר הצוות מגלה שהיא בין האנשים היחידים שידעו את מסלולה של רכבת המובילה נשק גרעיני.

הצוות מחפש אחר הרוצח המקצועי שרצח שתי נשים קוריאניות הנשואות לחיילי מארינס. החשש הוא שלרוצח יש מניע גזעני, ושאישה נוספת נתונה בסכנה.

הצוות מבצע פשיטה על מוסך תיקונים בניהולם של אנשי חיל הים, ומגלה ראש אדם קפוא בתא המטען של אחת המכוניות.

רכב רפואי המוביל את גופתו של חייל מארינס שמת בתאונת דרכים מתפוצץ, והצוות מגלה שהפיצוץ לא היה מקרי. המסתורין מסתבך עוד יותר עם גילויה של ראייה חדשה.

הצוות נוסע לכיוון פארק לאומי, לאחר שמלח נהרג שם בידי דוב. מסתבר שהייתה איתו אישה, שכנראה עדיין נמצאת בסיכון. בינתיים, אבי זועמת בגלל שגיבס שכח לקחת אותה לארוחת הערב המסורתית לכבוד יום הולדתה.

בנו של קצין צבאי לוקח תלמידים כבני ערובה ומאיים לפוצץ פצצה המחוברת לחזה שלו. גיבס מנצל הזדמנות להיכנס לכיתה ולהפוך לבן ערובה, וטוני לוקח את המושכות לידיים בהיעדרו.

גופתו של חייל מארינס נמצאת באגם קפוא. גילוי גופות נוספות בסביבה גורם לצוות לחשוד בכנופיית רחוב.

חברה ביחידת ההצפנה של משרד ההגנה נמצאת מתה כתוצאה מהתאבדות, כאשר הצוות נמצא בפנטגון במרדף אחר חפרפרת. אבי מגלה שמישהו היה עם הקורבן בעת מותה.

הצוות חוקר סביב בית הארחה של משפחות של חיילים, לאחר שנמצא חדר מטונף בדם וברקמות אדם. דאקי מגלה שהממצאים נלקחו משלוש גופות שונות שנותחו באופן מקצועי.

סוחר סמים מובא לתחקור ביחידה, אך נופל ומת במעלית. אחיו של האדם, עדיין לא עודכן בדבר מותו של האח, מתקשר ומודיע שהוא חטף את שפרד ושיהרוג אותה אם לא יחזירו את אחיו ואת ההירואין שלו.

גיבס נפגע בפעולת טרור וטוני לוקח את הפיקוד, למורת רוחם של כמה מחברי הצוות. גיבס חווה פלאשבקים מעברו שמציפים אותו ברגשות שהודחקו.

בפרק סיום העונה, הצוות מנסה לבלום התקפת טרור נגד חיל הים, בזמן שגיבס, שעדיין מתאושש מפציעתו, סובל מאובדן זיכרון.