Cuando Ziva es testigo accidental de los asesinatos de un espía protegido por el FBI y de sus guardaespaldas, debe enfrentarse a la situación sin su principal apoyo, Gibbs, que está disfrutando de su retiro. Al enterarse de que el FBI la está buscando porque sospecha que está implicada en el crimen, la agente escapa. Mientras, el equipo NCIS, liderado ahora por Tony, debe probar que Ziva es inocente.

Gibbs solicita regresar al NCIS tras haberse jubilado para ayudar a Fornell y a su hija, quienes están siendo amenazados por un convicto que ha escapado de prisión. Gibbs y el equipo de NCIS interrogan a un marine jubilado que es la única persona que ha tenido contacto con él después de ingresar en prisión. La investigación llevará al equipo a un sorprendente descubrimiento.

El equipo de NCIS acude a investigar un nuevo caso. Esta vez ha aparecido un automóvil con manchas de sangre en su interior y su propietaria, una teniente, se encuentra desaparecida. Ziva descubre que la mujer deseaba encontrar al hombre de su vida y, por lo tanto, iba a acudir a una convención que se celebra en un hotel. Ziva decide acudir a la convención mientras Ducky analiza los perfiles de los hombres que había seleccionado la teniente días antes de su desaparición. Por otra parte, Tony recibe una oferta secreta de Jenny.

Unos agentes detienen a un conductor por tenencia de armas en el mismo momento que otro vehículo colisiona contra el coche patrulla con un cadáver en su interior. El hombre arrestado resulta ser de nacionalidad rusa y el Departamento de Seguridad de Fronteras afirma que trabaja para ellos. El ruso está relacionado con un caso en el que Mike Franks trabajó hace tiempo, lo que le empuja a salir de su retiro para ponerle entre rejas.

El equipo de NCIS acude a examinar el cuerpo de un soldado que ha aparecido en una casa deshabitada. Tras identificarle, los investigadores descubren que el hombre debía haber prestado servicio en Irak, pero que justo antes de partir desapareció. Además, llegan a la conclusión que el cuerpo fue primero enterrado en el patio de la casa y exhumado después. A su vez, el NCIS descubre que el joven estaba prometido con dos mujeres a la vez. Abby decide ir en busca de una muestra de ADN de cada una de ellas para poder continuar la investigación

El equipo de NCIS está ocupado estudiando un caso durante la noche de Halloween. La hija de un marine ha sido secuestrada en su propia casa. El oficial se había separado de la madre de su hija y el equipo sospecha del nuevo novio de la mujer, quien decidió terminar con su matrimonio. Mientras, McGee y Tony quedan prendados del disfraz de Abby.

El equipo de NCIS trabajará con la CIA en un asunto que podría estar relacionado con el terrorismo. Un coronel de la Marina fallece durante un curso de golf a causa de una explosión provocada. Los agentes de la CIA explican al NCIS que existe un almacén donde es posible que haya pruebas de lo ocurrido. Cuando llegan allí, se dan cuenta de que todo es una trampa. McGee intentará acceder a los archivos secretos del gobierno sobre células terroristas.

El NCIS investiga la muerte de un veterano marine. El hombre fue encontrado muerto en un hotel y el equipo baraja tanto la hipótesis del suicidio como la de asesinato. Sin embargo, no tardarán mucho en descubrir que había pasado la última parte de su vida como un mendigo y, por lo tanto, la idea de que fuera él mismo quien acabase con su vida cobra más fuerza.

McGee arriesga su trabajo en el NCIS por ayudar a su hermana Sara. La joven ha aparecido desorienta y sangrando y todo el equipo comienza a investigar lo ocurrido. Al mismo tiempo, buscan pistas sobre un marine que parece tener algún vínculo con lo sucedido a Sara. Por otra parte, Tonny y Abby tienen problemas con sus relaciones amorosas, algo que les mantiene bastante agitados. McGee también estará más nervioso de lo habitual, ya que guarda otro secreto.

Un cuerpo quemado y momificado en el interior de un horno aparece en una base de la Marina. Cuando el equipo de NCIS descubre que el cadáver pertenece a un asesino en serie, se ponen en contacto con el FBI. Ambas unidades trabajarán juntas en este caso mientras el libro de McGee, basado en el trabajo de la unidad, ve la luz.

Un teniente de la Marina aparece muerto tras haber manipulado un robot llamado Otto en el marco de una operación de alto nivel. En principio, el equipo de NCIS baraja las hipótesis del suicidio y del asesinato. Sin embargo, cuando Abby está a punto de morir, Gibbs descubre que el vehículo funciona de manera incorrecta y, por lo tanto, podría tratarse de un crimen. Mientras, Ziva se pregunta el motivo de las visitas al hospital de Tony.

El equipo de NCIS debe encontrar al asesino que mató a un teniente de la Marina y que, posteriormente, dejó el cadáver en un pequeño motel. Sin embargo, Gibbs descubre que el asesinato se produjo tres días atrás, que las autoridades locales ya lo habían investigado y que una unidad terrorista es la posible causante de este delito.

El equipo de NCIS descubre la desaparición de diez kilos de armas químicas. Sin embargo, lo peor es que estas sustancias altamente tóxicas están en poder de Mamoun Sharif, uno de los terroristas más buscados. El equipo de investigadores apoyado por un teniente del ejército deberá encontrar la forma de atrapar a este delincuente antes de que sus planes provoquen algún tipo de víctimas.

Tras capturar a un importante distribuidor internacional de armas, el equipo de NCIS descubre que los artefactos propiedad de la Marina serán vendidos a otro traficante. Para impedir que esta operación se lleve a cabo, el equipo envía a Ducky como agente infiltrado. Al mismo tiempo, descubren que otra agencia estatal trabaja en la misma misión, pero con objetivos claramente distintos.

El equipo de NCIS investiga la aparición del cuerpo sin vida de un marine en un edificio abandonado. En un primer momento, todos los indicios apuntan a una muerte provocada por sobredosis. Sin embargo, encuentran una tarjeta que contiene un mensaje escrito con la sangre del marine. A partir de entonces y junto con las fuerzas de seguridad locales, deberán encontrar al asesino.

Un teniente de la Marina, inspector internacional, ha sido envenenado con sustancias radioactivas. El equipo de NCIS intenta reconstruir los hechos hasta el momento en que se produjo la contaminación. En este proceso, Gibbs se da cuenta de que el delincuente trazó el plan a la perfección, evadiendo incluso una inspección programada. Antes de morir, el teniente explica al grupo de investigadores que tan sólo dos de sus compañeros tendrían capacidad para hacer algo así.

Una explosión en uno de los mausoleos del cementerio deja al descubierto un departamento oculto en el que yacen los restos de varios cuerpos desmembrados. El equipo de NCIS busca al asesino en serie que ha cometido esos crímenes.

Antes de comenzar una autopsia, Ducky se sorprende al ver como su paciente, supuestamente congelado, se levanta con vida. Desde ese momento, Gibss y su equipo deberán investigar los últimos pasos de la víctima, para destapar al culpable de su situación, que casi le lleva a la muerte. El equipo descubre que el hombre había viajado a Bagdad en un vuelo privado, y que este caso tiene algún tipo de conexión con el pasado de Gibss.

Durante el fin de semana, una persona anónima alerta al equipo de NCIS sobre una supuesta trama terrorista. El equipo nvestiga el asesinato de dos agentes a los que tendieron una trampa. Mientras, Paula Cassidy, del FBI, ayuda al equipo en su labor porque se siente responsable de la muerte de sus compañeros.

El quipo de NCIS se enfrenta a un nuevo caso de asesinato. Esta vez la víctima ha sido un oficial de la marina, y lo extraño del caso es que el delito se cometió bajo los parámetros de la última novela de ficción de McGee.

Gibbs intentará convencer a McGee para que investigue a las personas que hayan tenido acceso al manuscrito, todavía secreto para el público, ya que el libro aún está sin publicar.

La directora Shepard acuerda entrevistarse con un hombre que reclama información sobre Le Grenoille. Sin embargo, esto supone uno de sus mayores errores profesionales cuando el hombre aparece muerto y ella implicada en el caso. el equipo trabajara para destapar todos los misterios que relacionan a su jefa con el peligroso delincuente.

Scott, un fotógrafo ciego, inmortaliza con su cámara el cuerpo sin vida de un oficial de la Marina. Al descubrir lo que contienen las fotografías, la ayudante del conocido fotógrafo alerta al equipo de NCIS, que con la ayuda de Scott consigue reconstruir los hechos. Mientras, Gibbs y Tony mantienen una relación tirante.

Jenny debe asistir a una conferencia en el extranjero, por lo que Gibbs deber quedarse al mando de la dirección del departamento. Sin embargo, el nuevo director prefiere seguir realizando sus obligaciones como agente de investigación y continuar trabajando en un nuevo caso. Esta vez, la investigación se centra en el asesinato de un hombre cuyo cadáver ha aparecido en el interior de un taxi.

Tras el viaje de Jenny por Europa, todo el equipo de investigadores del NCIS es obligado a someterse a la prueba del polígrafo por una misión de seguridad nacional. Los secretos que guarda cada agente están a punto de ser desvelados. Mientras, Jeanne y Tony, ambos agentes desarmados, son retenidos y utilizados como rehenes por un traficante de droga sin escrúpulos.