Ziva, andando a lavoro, assiste a un attentanto terroristico e vede un ex agente del Mossad che dovrebbe essere morto. Ingiustamente ricercata come autrice dell'attentato, Ziva non può fidarsi delle agenzie federali quali FBI o la stessa NCIS che hanno fatto muro contro di lei, persino il Mossad e il suo stesso padre emette un ordine di cattura nei confronti della figlia. Solo Tony, ora diventato il capo della squadra, non crede alla colpevolezza di Ziva e nell'ombra chiede aiuto alla squadra per aiutare la collega. Nascosta e impaurita Ziva chiede aiuto a Gibbs il quale è in pensione e si è ritirato in Messico assieme al suo amico e mentore Mike Franks. Gibbs suo malgrado decide di tornare a Washington e chiede il reintegro temporaneo al solo scopo di aiutare Ziva con la quale ha un antico debito (nell'episodio "Uccidete Ari (part 2)" Ziva uccide il fratello Ari prima che questi uccidesse Gibbs). Aiutata da Gibbs e da Tony, Ziva riesce a togliersi dagli impicci ma ciò non basta a far restare Gibbs nella squadra.

Quando il sottufficiale Derick Poulson evade di prigione e chiede a Fornell di scagionarlo, quest'ultimo non può fare a meno di chiedere aiuto a Gibbs, visto che è insieme a lui che aveva arrestato il giovane. Gibbs torna quindi "temporaneamente" a capo della squadra per cercare il fuggitivo e catturarlo. Combattuto tra il suo istinto e i fatti Gibbs dovrà fare i conti con un uomo che sembra prevenire ogni sua mossa. Aiutato da tutta la squadra riesce a capire chi è il vero colpevole e ad apprezzare di nuovo il suo lavoro. La puntata termina con un colpo di scena: Gibbs è di nuovo seduto alla sua scrivania e porta un paio di bei baffoni. A Tony, Ziva e Tim che lo guardano stupiti esclama: "Che c'è?" Gibbs è tornato.

Viene ritrovata una macchina abbandonata piena di sangue, intestata ad una tenente donna della Marina scomparsa. La squadra della NCIS scopre che il tenente scomparso stava selezionando uomini, alla ricerca del compagno perfetto per lei. Quando scoprono che la donna aveva in programma di partecipare ad un seminario presso un hotel del luogo, Ziva vi si reca di nascosto per avere maggiori informazioni. Ducky è impegnato nell'analisi dei profili degli uomini. Jenny fa a Tony un'offerta segreta.

Un russo uccide un informatico americano. Quest'ultimo infatti lo aveva riconosciuto come uno dei ricercati più pericolosi. Mentre Ziva e McGee devono trovare il bossolo del proiettile tramite tracce di vomito, Gibbs chiama Mike Franks che aveva indagato sull'indiziato tempo prima. Mike, per evitare che l'uomo sia rilasciato, finge di avere un nastro che lo incastra per traffico di armi. Tony, guardia del corpo di Mike, viene aggredito e Mike stesso viene rapito. In realtà Mike ha aggredito Tony per poter far cadere un boss russo (capo del sospettato) nella sua trappola e ucciderlo. Gibbs interviene per aiutarlo.

Quando viene trovato il cadavere di un marine scelto in una casa vuota, la squadra della NCIS scopre che era stato seppellito nel cortile dietro la casa e poi riesumato. Identificano la sua identità e scoprono che stava per essere dispiegato in Iraq, ma non si era mai presentato per la missione. L'investigazione li porta ad una nuova traccia: il soldato aveva due fidanzate. Abby esegue i test sul DNA delle due donne. Infatti l'assassino si scopre essere il marito della venditrice di quella casa ovvero l'amante.

È Halloween e la squadra della NCIS è impegnata nell'indagine di un caso di riscatto. La figlia di un Marine è stata rapita dopo che il rapitore ha attaccato il Marine nella sua casa. L'indagine li porta al fatto che la coppia era separata. Decidono di concentrarsi sull'ex fidanzato della moglie, dopo aver scoperto che la donna aveva chiesto la separazione. Nel frattempo, McGee e Tony restano impressionati dal costume di Halloween di Abby.

Quando un Colonnello della Marina muore in un'esplosione in un campo da golf militare, la squadra della NCIS si trova ad indagare su di un sospetto attacco terroristico con l'aiuto dell'Army Criminal Investigative Division (CID). La CIA gli dà un indizio per un magazzino abbandonato, ma risulta essere una trappola: il magazzino è predisposto per esplodere. McGee sfrutta le sue capacità informatiche per entrare nei file segreti del governo e scoprire la cellula terrorista.

Quando un Marine d'onore veterano viene ritrovato morto in un hotel, la squadra della NCIS deve scoprire cosa gli è successo. Presto si accorgono che il Marine non si è suicidato e che era un senzatetto. Dopo aver cercato tra le sue cose, trovano delle prove compromettenti contro di lui e Gibbs è determinato a provare l'innocenza dell'uomo.

McGee infrange le regole, rischiando il lavoro all'NCIS, per aiutare sua sorella Sara, che appare a casa sua disorientata ed insanguinata. Mentre lavora per scoprire cos'è successo, la squadra della NCIS sta indagando su un caso di un marinaio della Marina, che è collegato in qualche modo alla sorella di McGee. Sia Tony che Abby sono impegnati con i loro problemi di cuore, intanto si scopre che McGee ha un altro segreto.

Nella fornace di una base della Marina viene ritrovato il corpo carbonizzato e mummificato di una persona scomparsa e ricercata e la NCIS deve collaborare con la FBI. Il cadavere risulta essere quello di un serial killer. Entrambe le squadre visitano la famiglia dell'uomo e scoprono qualcosa di sconcertante. Inoltre, la squadra dell'NCIS deve affrontare il libro che McGee ha scritto su di loro, utilizzando personaggi inventati.

Un veicolo robotizzato di nome Otto, parte di un progetto ad alto livello del Dipartimento di Difesa, provoca la morte di un Tenente della Marina. Più tardi quasi uccide Abby e la squadra dell'NCIS deve scoprire chi ha sabotato il veicolo ed ha assassinato il Tenente. Nel frattempo, Ziva si accorge che Tony continua ad andare in ospedale. Cosa starà facendo lì?

Un terrorista, in possesso di una sostanza chimica, vuole contagiare la popolazione infettando banconote da un dollaro e l'NCIS deve impedirglielo.

L'NCIS scopre che Charles Harrow vuole vendere il suo software per il controllo missilistico. Tra le tante immagini si scopre che tra i principali acquirenti c'è la Grenouille.

Un uomo viene trovato morto dentro un ristorante in disuso. La vittima è stata uccisa con un veleno ricavato dall'oleandro. Durante le indagini si scopre che la vittima non era altro che un serial killer che aveva già ucciso in passato nello stesso modo in cui è stato ucciso lui stesso. I colpevoli si scoprono essere il proprietario di un locale per VIP e una accompagnatrice che sarebbe stata la prossima vittima del serial killer.

Un tenente della marina che lavora per la AIEA ovvero l'ente delle nazioni unite per il controllo dell'energia atomica, incarica Gibbs di indagare su chi lo ha avvelenato. Durante le indagini i sospetti cadono sul superiore del marine e su una sua collega ma quando anche il suo superiore mostra i sintomi di avvelenamento da radiazioni i sospetti cadono. Si scopre che l'agente è stato avvelenato tramite dei sigari con del tallio, utilizzato come veleno per topi, con la caratteristica di essere inodore insapore e incolore. Il colpevole era un'altra sua collega di lavoro che lo ha avvelenato per non farlo partire per il prossimo impiego di lavoro ignorando che così facendo lo avrebbe ucciso. Durante l'episodio è interessante l'attaccamento che nasce fra la vittima e Ziva, ogni mattina i due si incontravano durante il percorso di jogging ma non si erano mai fermati per conoscersi e alla conclusione della puntata è ben visibile il rammarico da parte di entrambi di non averlo mai fatto.

In un cimitero militare viene alla luce un loculo con resti umani di persone diverse. L'NCIS deve scoprire chi sono le vittime e se tra loro c'è una connessione.

Il corpo di un Marine congelato riprende vita sul tavolo operatorio di Ducky e la squadra cerca di ricostruire gli ultimi giorni della vittima per capire cosa gli è successo e chi lo ha lasciato a morire di freddo. Le indagini portano a galla un viaggio che la vittima ha fatto a Baghdad usando un aereo merci e un collegamento con il passato di Gibbs.

Una telefonata avverte l'NCIS di un attacco terroristico. Ma è una trappola, e per gli agenti accorsi sul posto non c'è scampo. Gibbs deve scoprire chi è il mandante.

Durante le indagini su un caso di omicidio, McGee si accorge che ci sono molti punti in comune tra il delitto e il nuovo romanzo, non ancora pubblicato, a cui sta lavorando.

Il direttore Shepard accetta d'incontrare da sola un informatore che dovrebbe darle importanti informazioni. Ma l'uomo viene ucciso e l'NCIS deve capire chi è l'assassino.

Un fotografo cieco scatta per caso una foto che riprende il cadavere di un marine. Per l'indagine, l'NCIS si affida alla speciale sensibilità di quell'uomo.

Mentre Shepard è in Europa, Gibbs assume il comando dell'NCIS ma abbandona presto la scrivania per occuparsi direttamente di un misterioso omicidio.

Al ritorno dall'Europa, Shepard sottopone tutti al test della macchina della verità. Intanto, un narcotrafficante prende Tony e Jeanne in ostaggio.