Con Leon Vance como nuevo director del NCIS y el antiguo equipo disuelto y enviado a diferentes misiones, Gibbs tiene que aprender a trabajar con los nuevos agentes que le han asignado. Entre ellos podría encontrarse un traidor, y descubrirle será la misión del director y de su equipo encubierto.

El departamento vuelve a recobrar la alegría con el regreso de Ziva y McGee, pero DiNozzo aún está destinado en un buque de la Marina y su regreso no está previsto hasta dentro de unas semanas. Sin embargo, el supuesto suicidio de un oficial en el barco en el que viaja lleva al agente a retomar la relación con sus antiguos compañeros.

Una joven Comandante de Corbeta aparece muerta en un parque y el equipo NCIS se desplaza hasta el lugar para recopilar las pruebas que el asesino haya podido dejar en las inmediaciones. Gibbs se desmarca y acude a la llamada de un Senador ex compañero del ejército, que le confiesa que la víctima y él eran amantes. Jethro deberá debatirse en este caso entre la lealtad a su deber o, por el contrario, a su amigo.

Un ataque a unos marines en un callejón se salida con la muerte de uno de los jóvenes y con otro de ellos herido de gravedad. Casualmente, el que consiguió salvar la vida en la pelea proviene del pueblo de Gibbs, donde se le había dado por muerto hacía 4 años. El agente viajará a su lugar de nacimiento, donde se reencontrará con familiares y conocidos y donde el caso se convertirá en algo personal.

Una mujer halla el cuerpo sin vida de su vecino, un marine que había sido torturado con diversas herramientas. El equipo del NCIS encuentra huellas de otro marine en el lugar del crimen. Cuando acuden en su búsqueda, descubren que es el único testigo custodiado por el FBI en un caso contra Azari, un peligroso mafioso responsable de un gran número de crímenes.

Un hombre aparece muerto en una base naval con la dirección de una página web en la boca. El equipo de Gibbs rastrea el sitio y descubren el video del asesinato y pistas para hallar otro cuerpo. Al llegar a la segunda escena del crimen, Gibbs descubre en la boca de esta víctima un mensaje para él. El asesino en serie le sigue de cerca.

El director Leon asigna a Gibbs un nuevo agente temporal a sus espaldas. El joven, preparado para el trabajo, no cuenta con el beneplácito de sus compañeros. Sin embargo, el equipo debe permanecer unido ante la investigación de un atraco en un banco situado en las dependencias navales.

Tras lo ocurrido con el agente Langer y sus intenciones de robar documentos confidenciales sobre respuestas a ataques procedentes de Asia y Oriente Medio, Gibbs ordena a su equipo que planeen un simulacro secreto de asalto a una base naval impenetrable. De esta manera, conocerán cómo mejorar la seguridad. Sin embargo, alguien muy cercano sufrirá las consecuencias de este plan encubierto.

Después de revelarse el verdadero interés de la agente Lee por DOMINO, el documento confidencial del ejército que contiene su plan de respuesta a posibles ataques, Gibbs traza un plan para atrapar al secuestrador de la hija de la agente. Sin embargo, los resultados de las pruebas que deja el carcelero hacen sospechar a Gibbs que Lee no está contando toda la verdad.

Los agentes del NCIS investigan la muerte de un oficial de la Marina en un accidente de coche. Durante el trabajo, descubren que la vida de la víctima encerraba un gran secreto. Las peleas nocturnas clandestinas ocupaban gran parte del aspecto personal del oficial, pero también pudieron llevarle a la muerte.

Un matrimonio de ancianos es asesinado en su domicilio la víspera de Navidad. Un testigo vio a un hombre en la casa y su descripción coincide con la de un ex marine muerto hace 17 años. Ante esta sorpresa, Gibbs pide explicaciones a Ducky, ya que fue él quien firmó el certificado de defunción. El equipo deberá trabajar para localizar al ex marine que pudo fingir su propia muerte y descubrir quién mató a la pareja de ancianos.

El cuerpo de un marine es encontrado muerto en un bosque después de 11 años. Las pruebas dirigen al equipo del NCIS hasta Celia, una prostituta que ahora cumple condena por otros asesinatos. McGee acude a la prisión en la que se encuentra para conseguir una confesión, pero un motín lo convierte en rehén y le coloca en el punto de mira de las reclusas.

Durante las investigaciones en la escena de un crimen, Ducky es apuñalado por una mujer extranjera. El equipo trabaja para descubrir de quién se trata y, al hacerlo, no pueden creer lo que escuchan. Su compañero, el doctor Mallard, es acusado por Mosuma Daoub, su atacante y protegida del gobierno de Afganistán, de haber matado a su hermano y violado el artículo 4 de la Convención de de Ginebra: cometer crimen de guerra.

Un teniente de la Marina aparece brutalmente asesinado en una cabaña cercana a una carretera comarcal. Su hija y su ex prometido habían acudido al NCIS a denunciar su desaparición, pero la dura conducta de la mujer había levantado las sospechas de los agentes. Al visitar la casa de la víctima, descubren en el sótano material que podría estar relacionado con sus trabajos de alta confidencialidad en el Cuerpo Naval.

El soldado Emilio Salazar aparece muerto en un edificio abandonado. Cuando el NCIS llega a la escena del crimen para reunir las pruebas, Gibbs observa cómo alguien ha escrito el número de su propia placa con sangre. Solo puede pensar en una persona capaz de hacer una cosa así: Rose, una mujer a la que conoció en Colombia en el pasado, pero murió hace 10 años.

Mientras Gibbs estuvo en México, DiNozzo lideró todos los casos que caían en manos del equipo del NCIS. Durante ese período, el agente envió a la cárcel a un hombre acusado de fraude. Ahora, el principal testigo de aquel caso ha aparecido muerto, y el sospechoso de su asesinato es dicho preso, que ahora está en la calle. El caso da un giro cuando el posible culpable se presenta en las dependencias del Cuerpo para dejar clara su inocencia.

La muerte de un agente del NCIS sorprende a Abby, que mantenía una relación de amistad con la víctima. Esto servirá de ayuda a los investigadores, ya que el agente envió a la experta un misterioso cuadro antes de morir. La búsqueda de la pintora de la obra lleva a Gibbs y a DiNozzo a adentrarse en el desierto, donde descubrirán que uno de los testigos del caso ha actuado bajo una identidad falsa.

Leon dirige una investigación de asesinato y pretende mantener a Gibbs al margen. Al parecer, la víctima era un ex marine amigo del director del NCIS con cuya hermana mantenía una buena relación. Sin embargo, no hay rastro de su vida en la Marina, lo que hace presagiar que Leon no ha dicho toda la verdad.

Un niño llamado Noah guarda en su poder la pistola con la que se ha cometido un crimen. Su madre contacta con el NCIS y el equipo se traslada hasta allí para investigar. El pequeño no cuenta toda la verdad acerca de su hallazgo, y los agentes descubren la razón. El arma se usó para matar a Dylan Bates, un joven criminal de la zona que había estado molestando a Noah. Mike, el padre del niño, se convierte en el principal sospechoso tras descubrir que había amenazado a Dylan. Sin embargo, toda la familia estará en el punto de mira.

Gibbs tiene que olvidar por un momento sus rencores y trabajar junto al agente Trent Kort, con el que no tenía una buena relación y que ha regresado para dar con un peligroso criminal llamado Sivaro. Todo el equipo sospecha de las intenciones de Kort, pero Gibbs decide darle una oportunidad. Sin embargo, el descubrimiento de una filtración de información que entorpece sus investigaciones le hará dudar de la integridad de su colaborador.

Abby es retenida por el FBI para que colabore en uno de sus proyectos. Su trabajo consiste en acabar el estudio de un científico que ha desaparecido sin dejar rastro y que puede acabar con muchas vidas si no se termina a tiempo. Gibbs trata de que Abby regrese al laboratorio ya que desconfía del proyecto y teme por su seguridad.

El asesinato de un marine que estaba bajo amenaza lleva a Gibbs y McGee a Los Angeles, donde la delegación de NCIS de esa ciudad trabajaba en el caso. Ambos equipos descubren que lo que parecía un ajuste de cuentas puede llevarles hasta el núcleo de una red de tráfico de armas. Mientras, Tony sospecha que una persona relacionada con la vida privada de Ziva puede tener algún vínculo con el caso que les ocupa.

Tony sospecha que Ziva sabe algo más sobre el paradero de su amante, infiltrado del Mossad, y no está siendo sincera con su equipo. Mientras, Gibbs y McGee continúan trabajando con la división del NCIS en Los Angeles, aunque una misteriosa conexión entre la agente especial Macy y el jefe de la delegación en Washington podría salir a la luz y entorpecer la armonía entre los equipos.

Después de que DiNozzo irrumpiera en el apartamento de Ziva e hiriera de muerte al agente de la Mossad, Michael Rivkin, parte del NCIS viaja a Tel Aviv para estudiar los detalles del caso y determinar si DiNozzo o Rivkin se mostraron desleales con sus respectivas agencias. Ziva deberá posicionarse en esta difícil situación que mezcla sentimientos y desconfianza y podría apartarla de su equipo para siempre.