Gibbs ayant quitté le NCIS, Tony reprend les rennes de l'équipe, MacGee n'est plus le bleu car une nouvelle recrue est intégré au NCIS. Alors que Ziva circule en voiture, elle part a la poursuite d'un couple de motard. Au moment de leur passage vers une restaurant, celui ci explose et Ziva est accusé d'avoir laissée filer les terroristes. Ziva appelle alors un renfort de poids : Leroy Jethro Gibbs...

Deux femmes circulent en voiture quand elles sont doublées par un 4x4. C'est alors que les deux jeunes aperçoivent à l'arrière du véhicule, le visage ensanglanté d'une femme. Gibbs qui reprend les reines de l'équipe, mène l'enquête sur la disparition de cette femme...

En interpellant un conducteur téléphonant au volant, une patrouille de police est percutée par un véhicule dont le chauffeur est mort assassiné par balle avant de pouvoir joindre le N.C.I.S. En menant l'enquête, l'équipe de Gibbs, revenu au N.C.I.S, découvre que l'interpellé, un espion russe à la solde de la CIA, et la victime, un quartier-maître, sont liés par une affaire de trafic d'armes remontant à une quinzaine d'années. Lorsque la Sécurité Nationale tente de s'accaparer le dossier, Gibbs rappelle Mike Franks, l'enquêteur en faction à l'époque.

Lors d'une visite d'une maison à vendre, un couple ainsi que l'agent immobilier découvre avec effroi le cadavre d'un homme assit sur un fauteuil. Le NCIS découvre que ce marine devrait être en mission en Irak et surtout que l'homme était marié à deux femmes en même temps...

Le soir d'halloween, le sergent Miles est grièvement blessé tandis que sa petite fille est portée disparue. Le NCIS apprend alors que la fillette a été enlevée et les ravisseurs demande une rançon. Se remémorant sa fille, Gibbs fait la promesse de retrouver la petite Sarah vivante...

Alors qu'il jouait au golf avec son fils, le colonel Frederik Cooper est tué suite à une explosion. Pendant que son fils s'engage dans les marines pour tenter de venger son père, les premières conclusions de l'enquête montreraient qu'il s'agirait d'une attaque terroriste. Gibbs est aidé par une lieutenant qui ne le laisse pas indifférent...

La directrice du NCIS, Jen Shépard assiste a un cocktail politique quand tout un coup un cadavre atterri sur le buffet. L'équipe de Gibbs apprend que l'homme est un héros de guerre mais les circonstances de son décès sont très troublantes. Après quelques recherches, le NCIS apprend que l'ancien marine vivait dans l'hôtel et lors de la fouille de la chambre, une jeune asiatique est retrouvée morte...

Pendant une nuit, l'agent MacGee s'adonne à son plaisir favori : l'écriture de son roman. C'est alors que quelqu'un frappe à la porte. Et là, Timothy reste figé en voyant son "invitée" qui est couverte de sang. Cette jeune femme est la jeune de sœur de MacGee. Elle pense avoir tué quelqu'un mais elle ignore qui, quand et comment elle est arrivée chez son frère. Tandis que le NCIS enquête sur la mort d'un marine, Gibbs et son équipe trouve une relation entre le marin et la jeune sœur de Tim...

Un équipe travaillant sur un chantier d'une base militaire fait une terrible découverte dans la cheminée. Le corps brulé d'un homme qui n'est autre qu'un tueur en série recherché depuis près de 12 ans. Le NCIS, en collaboration avec le FBI enquête sur ce crime et fait une trouvaille des plus étranges. Pendant ce temps, Jenny Shépard confie une mission en solo à Tony Dinozzo.

Travaillant sur un projet de robot pouvant piloter un véhicule, un lieutenant de la Navy est tué. Au départ de l'enquête, les indices démontrent qu'il s'agirait d'un suicide mais alors qu'Abby tente d'analyser l'ordinateur de bord de la voiture, le véhicule s'en prend à Abby en menaçant sa vie. C'est à ce moment là que Gibbs et son équipe songe alors à un meurtre. Pendant ce temps, Ziva est très préoccupée par le comportement de Tony qui est sans cesse en visite dans un hôpital...

Une jeune femme, lieutenant de la Marine, est retrouvée sans vie dans la chambre d'un motel d'une petite ville. Une fois sur place, Gibbs et son équipe apprennent que la scène de crime a été nettoyée et que l'autopsie du corps a déjà été pratiquée par le médecin local. Selon le shérif de la ville, un problème de communication serait à l'origine de cela. Malgré tout, Gibbs reprend l'enquête comme il peut. Au fil des jours, le NCIS émet l'hypothèse que le meurtre soit lié à l'action d'une cellule terroriste...

Après que 10 Kg d'armes chimiques hautement toxiques aient disparu, Gibbs et son équipe mettent tout en œuvre pour les retrouver. Le NCIS est sous le choc lorsqu'il découvre que ces armes chimiques mortelles sont entre les mains du terroriste Mamoun Sharif . Sharif prend un malin plaisir à passer des coups de fil au NCIS afin de narguer les agents spéciaux. L'équipe du NCIS joint ses forces à celles du Lieutenant Colonel Hollis Mann pour tenter de l'arrêter. Sharif prévoit en effet d'attaquer les plus grandes villes des États-Unis avec ces armes chimiques. Gibbs se retrouve dans une situation similaire à celle qui l'avait décidé à quitter le NCIS...

Après avoir capturé un trafiquant d'armes international, impliqué dans le trafic de diamants contre des armes - notamment des missiles de croisière - le NCIS découvre que le système d'armes top secret de la Navy (Ares) est sur le point d'être vendu à un autre trafiquant d'armes d'envergure internationale appelé "La Grenouille". L'équipe de Gibbs fait appel aux compétences de Ducky : celui-ci va travailler sous couverture et tenter d'entrer en relation avec "La Grenouille" qui souhaite acheter le logiciel d'espionnage Ares. Mais alors que le NCIS est prêt à passer à l'action, ils découvrent qu'une autre agence gouvernementale a changé les plans concernant le trafiquant. Gibbs devient suspicieux lorsqu'il se rend compte que Jen Shepard semble mener une vendetta personnelle envers "La Grenouille"...

Un marin est retrouvé mort dans un restaurant abandonné. Gibbs et son équipe enquêtent sur l'affaire avec l'aide d'une personnalité de Washington et des agents de police locaux. Au début, les agents pensent à un décés par overdose accidentelle, mais quand ils découvrent une mystérieuse carte, Abby y trouve un sinistre message écrit en lettre de sang faisant comprendre que le marin a été assassiné. Les membres du NCIS interrogent un sans-abri. Un des policiers ressemble beaucoup à Tony de part son caractère, professionnellement et personnellement, et cette alchimie entre eux deux pousse Tony à se confier au policier sur sa relation avec Jeanne dont il est très clairement amoureux. L'affaire amène les agents à se rendre dans un night club...

Un inspecteur de l'Agence Internationale de l'Energie Atomique arrive au quartier général du NCIS et demande aux agents de l'aider à résoudre un meurtre : le sien. En effet, l'homme est malade et mourrant, il sait qu'il a été empoisonné et veut retrouver son meurtrier. Ziva est certaine de connaitre cet homme, mais elle n'arrive pas à se souvenir où ils ont bien pu se rencontrer. Elle développe des liens avec lui au fur et à mesure de l'enquête. Les agents du NCIS et l'inspecteur tente de recréer les dernières heures de celui-ci afin de savoir où et comment il a pu être contaminé. Gibbs est persuadé que la personne qui a empoisonné l'inspecteur voulait par tous les moyens empêcher celui-ci de procéder à l'une des prochaines inspections qui étaient planifiées. Les investigations s'orientent vers les deux plus proches collègues de l'inspecteur car d'après lui ils étaient les seuls à être au courant de son planning. Tony est étonné de voir un côté plus doux de Ziva...

Une explosion se produit dans une crypte d'un cimetière militaire au cours des funérailles d'un marine. Lorsqu'Abby et Ducky affirment qu'ils ont identifié les restes de cinq corps, le NCIS commence à informer les familles des victimes en espérant trouver une connection entre ces personnes qui ne semblaient pourtant rien avoir en commun. La liste des suspects se rétrécie et même Gibbs est surpris du résultat final. Le Colonel Hollis Mann participe à l'enquête et Gibbs n'en semble pas particulièrement ravi. Au moins un des secrets de Tony est révélé durant cet épisode et Abby se confie à Gibbs au sujet d'un problème personnel...

Gibbs et son équipe enquêtent sur la tentative d'assassinat d'un marine retrouvé complètement gelé. Alors que Ducky commence son autopsie, le marine se réveille. Les enquêteurs fouillent dans son passé et suivent la piste d'un voyage que le marine aurait effectué secrètement vers Bagdad à bord d'un avion cargo privé. Il semble qu'il y ait un lien avec le passé de Gibbs.

Paula Cassidy et deux de ses agents enquêtent suite à une info sur un groupe terroriste. Ils les surveillent mais les choses tournent mal : le bâtiment où étaient les terroristes explose et Gibbs et son équipe viennent alors prêter main forte à leurs collègues. McGee prend assez mal la nouvelle...

Les pompiers de la base de Norfolk pénètrent dans une maison et trouvent un oiseau brûlé dans le four. Alors qu'ils sont sur le point de quitter les lieux, ils font une découverte ahurissante. L'équipe de Gibbs enquête. Mc Gee est horrifé lorsqu'il apprend qu'un Quartier Maitre sur lequel il a basé un des personnages de son dernier roman est découvert assassiné. Une personne pense apparemment que tout ce qui est écrit dans le livre de McGee est vrai. Ayant peu d'éléments pour enquêter, l'équipe incite leur écrivain de collègue à découvrir qui aurait pu avoir accès à son manuscrit secret. Tout cela met Abby en danger...

Gibbs et son équipe sont après un homme qui leur a échappé. Tony dine avec Jeanne et sa mère - qu'il rencontre pour la première fois - et la conversation ne prend pas du tout la tournure que Tony espérait. En effet, la mère de Jeanne s'adresse de façon hostile et inappropriée envers Tony. Jen Shepard est impliquée dans une fusillade alors qu'elle cherche à tout prix à mettre la main sur La Grenouille...

Un photographe découvre un cadavre sur une de ses photographies alors qu'il procède à leur developpement. Le NCIS est appelé pour enquêter. Jeanne demande via un SMS à Tony de venir la voir. John Billingsley, vu très récemment dans "The Nine" et peut-être plus connu comme Docteur Phlox de Star Trek apparait en guest dans cet épisode. Il interprétera un photographe à la vision diminuée mais avec un sens très développé de l'odorat que le NCIS mettra à contribution pour l'aider à résoudre l'enquête sur un Quartier-maître découvert mort dans la chambre noire, sur l'une de ses photos récentes. Tony et Gibbs ont des problèmes dans leurs vies personnelles.

Shepard poursuit sa vendetta contre la Grenouille et se rend en Russie afin de rencontrer un général qui fut un ennemi de son père. Elle apprend un secret sur son passé. Elle pourrait être impliquée avec Tony sur une affaire concernant des personnes transportant de la drogue, aussi appelées "mules". Gibbs prend les fonctions de Directeur du NCIS en son absence. Peu intéressé par le côté paperasse du job, il décide de diriger l'enquête sur la mort d'un Marine qui se rendait en taxi au QG du NCIS. Jeanne a un patient dont les membres de sa famille ne sont pas exactement du genre attentionnés...

Un intru semble s’être introduit dans la maison de Jen Shepard qui rentre d'un voyage en Europe aux frais de la princesse. De son côté, la Grenouille discute avec Trent Kort de Tony. Quant à Gibbs, il partage quelques moments avec Fornell. L'équipe du NCIS est guère ravie lorsqu'elle apprend qu'elle est choisie pour tester un nouveau détecteur de mensonges de Homeland Security (Sécurité du Territoire) : les secrets de l'équipe se dévoilent, dont le plus important de cette saison. DiNozzo, désarmé, est tenu en otage avec Jeanne par un dealer de drogue sans pitié.