En Somalie, DiNozzo, prisonnier, est interrogé par le leader d'une organisation terroriste, Saleem Ulman. Ce dernier, conscient que l'agent du NCIS ne parlera que sous la contrainte, lui administre un sérum de vérité extrêmement puissant. DiNozzo, sous l'effet de la mixture, explique alors qui il est et les raisons de sa présence. A la recherche de sa collègue disparue Ziva, il est venu pour tuer Saleem.

Une strip-teaseuse invitée à animer un enterrement de vie de garçon dans une chambre d'hôtel découvre ses trois clients morts, assassinés. L'un d'eux était un marine anciennement posté en Corée du Sud. L'équipe du NCIS est chargée de l'enquête. Pendant ce temps, Ziva, qui souhaite obtenir sa réintégration, cette fois en tant qu'agent à part entière, demande la bénédiction de Gibbs. Celui-ci l'envoie vers Vance.

Matt Burns, blogueur habitué à enquêter sur des scandales d'Etat, se fait assassiner. L'équipe de Gibbs souhaite enquêter sur sa mort, mais se heurte à l'inspecteur de police chargé de l'affaire. En effet, Burns venait tout juste d'accuser le NCIS d'avoir fait passer le meurtre d'un officier de la marine pour un accident. Il était sur le point de rencontrer un informateur pouvant lui en apporter la preuve.

Au large de la Tanzanie, deux pêcheurs trouvent dans leurs filets les restes d'un homme tué par balles. Le NCIS est alerté, car la dépouille appartient à Daniel Cryer, un marine déserteur devenu un mercenaire. Peu avant de disparaître, il avait été vu sur le cargo Damoclès, un navire dont Ziva fut l'une des rares à réchapper lors de son naufrage. Leon Vance décide d'interroger Ziva pour découvrir la vérité.

Le soir d'Halloween, trois adolescents découvrent l'un de leurs voisins, James Korby, mort dans sa voiture. Il a apparemment été asphyxié par du gaz d'échappement. Arrivé sur les lieux, le NCIS comprend que la victime, un marine récemment revenu d'Afghanistan, ne s'est pas suicidé, comme le laissent croire les apparences. Connu pour être un farceur, Korby s'était en effet fait beaucoup d'ennemis.

Dans le port de San Diego, un voilier dans lequel gisent les cadavres de deux ex-militaires tués par balles, s'approche d'un navire de guerre de la Navy. L'esquif appartenait à Gibbs, avant qu'il ne l'offre à son mentor, Mike Franks. Alerté par l'armée, le NCIS se voit obligé de soupçonner Franks, qui, depuis, a disparu avec sa belle-fille et sa petite-fille et n'est plus reparu dans sa maison mexicaine.

Sur un terrain de la Navy, deux apprentis soldats découvrent le corps sans vie d'un médecin. Il a été abattu d'une balle dans l'épaule et d'une autre à la base du crâne. Le mode opératoire est familier au directeur Leon Vance, qui y voit celui d'une tueuses à gages nord-coréenne qu'il traque depuis presque vingt ans. Il donne à Gibbs et à son équipe tous les moyens pour mettre fin à ses agissements.

Trois individus masqués et lourdement armés attaquent les locaux d'un fournisseur d'accès à Internet. Ils engagent une fusillade avec les deux agents de sécurité, et finissent par provoquer une coupure d'électricité dans tout Washington. Le NCIS doit se rendre sur les lieux, car l'un des braqueurs, une femme membre de la Navy, a été retrouvée morte sur place, menottée et abandonnée par ses deux comparses.

Le corps du marine Trevor Lozada est retrouvé au milieu d'un champ de maïs, planté comme un épouvantail. L'équipe pense d'abord à un règlement de comptes, Lozada ayant appartenu à un gang pendant un certain temps. Mais Gibbs et ses hommes changent d'avis après avoir visité un centre militaire employant des enfants surdoués, dans lequel travaillait la victime. Angela Kelp, 12 ans, semble cacher quelque chose.

A l'approche de Noël, un jeune couple arpente la forêt à la recherche d'un sapin mais découvre un cadavre congelé par le froid et agenouillé sur un tapis de prière. Il s'agit d'un lieutenant des marines, converti à l'islam durant la guerre en Irak. Son père avait quitté la Navy pour devenir pasteur. Dans le même temps, Gibbs reçoit son père pour les fêtes et la cohabitation commence sur de mauvaises bases.

Au cours de leur tournée d'inspection, deux rangers aperçoivent un corps calciné, vêtu d'une combinaison de pilote d'essai. Gibbs et ses adjoints découvrent, éparpillés autour du cadavre, les restes d'un appareil à propulsion individuelle ainsi que le cadavre d'un écureuil. Alors que l'enquête s'oriente vers les fabricants du prototype, Duck ne tarde pas à découvrir que le pilote avait été empoisonné.

Une femme de ménage découvre le cadavre d'un marine dans une baignoire remplie de litière pour chat. Pendant que Gibbs et McGee inspectent les lieux, Ziva et Tony sont à Paris afin de rapatrier un témoin vers les Etats-Unis. En fouillant l'appartement du militaire décédé, Gibbs comprend que les deux affaires sont en réalité étroitement liées et que le vol-retour vers les Etats-Unis risque d'être animé.

Poursuivie par la police sous l'oeil des caméras de télévision, une voiture explose en pleine rue. A son bord, se trouvait un marine dont le corps a été totalement carbonisé. Les premiers éléments de l'enquête révèlent que le militaire préparait une série d'attentats à la bombe. Gibbs et ses collègues craignent qu'il ait confectionné un engin artisanal contenant des déchets nucléaires radioactifs ?

Après une soirée très arrosée, Damon Werth, une vieille connaissance du service, se réveille dans une ruelle crasseuse. En essayant de réveiller son compagnon de beuverie, il se rend compte que celui-ci a eu la gorge tranchée. Il sollicite Gibbs afin d'élucider ce meurtre qui semble lié à un trafic de marchandises. Ils conviennent que la meilleure solution pour y parvenir est une mission d'infiltration.

Dans une zone résidentielle huppée, des coups de feux retentissent dans la nuit. Un vieil officier de la marine, qui venait de faire sa demande en mariage, a été tué. Lorsque Gibbs se rend sur les lieux pour débuter son enquête, il est confronté à son passé : la compagne de la victime n'est autre que son ex-belle-mère, Joann Fielding. A mesure que ses recherches progressent, les souvenirs remontent à la surface.

Dans un parc de Washington, un gardien s'isole dans sa voiture de patrouille afin de déguster une pâtisserie. Il est interrompu par une fusillade et croit même être pris pour cible, mais lorsqu'il sort de son véhicule, un homme ensanglanté surgit des fourrés et s'écroule. Il s'agit d'un ancien marine... porté disparu en Afghanistan depuis six ans ! Il vivait depuis lors sous une fausse identité.

Un peloton de marines, au cours de son footing matinal sur la plage, découvre le corps d'un plongeur. Sa combinaison permet de l'identifier : il s'agit d'un lieutenant de la Navy. Alors qu'ils inspectent sa maison, Gibbs et DiNozzo font la rencontre de deux de leurs homologues des gardes-côtes. Les deux services vont devoir apprendre à travailler ensemble mais la collaboration s'annonce houleuse.

Des étudiants heurtent un lieutenant de la Navy avec leur voiture. L'homme disparaît sous le capot. Il est mort et couvert de sang, alors que le choc n'avait rien de violent. L'examen de Mallard révèle immédiatement la vraie cause du décès : plusieurs coup de poignard lui ont été assénés dans le dos. L'équipe découvre que le militaire sortait juste d'un rendez-vous avec une prostituée dans un motel.

Un quartier-maître est abattu d'une balle en pleine tête sur les quais après avoir entendu un appel au secours. Quand Gibbs et ses collègues inspectent les alentours, ils trouvent une autre victime sous l'eau. Il s'agit d'un mafieux repenti qui faisait partie du programme de protection des témoins. Après une discussion avec un correspondant du bureau fédéral, il apparaît qu'une taupe sévit au sein du FBI.

Des secouristes sont en train de remettre un patient à l'équipe des urgences lorsqu'une voiture surgit en trombe sur le parking de l'hôpital et percute l'ambulance. Le conducteur de ce véhicule fou, un agent du service des opérations secrètes de la Navy, est mort. Duck et Palmer ont toutes les peines du monde à déterminer la cause du décès. La soeur du défunt, une journaliste, est quant à elle introuvable.

Un enfant et son grand-père découvrent un cadavre dans le coffre d'une voiture qu'ils allaient broyer pour le compte d'une casse. L'homme, un marine traduit récemment devant la cour martiale, a eu les deux pieds coupés. Parallèlement, Abby, escortée par McGee, se rend à un symposium au Mexique. En examinant à nouveau une affaire classée depuis une vingtaine d'années, elle exhume le douloureux passé de Gibbs.

Les fêtes étudiantes se préparent à Annapolis, où se situe l'académie de la marine. Sur la plage, sous un feu de camp géant, est retrouvé un corps calciné. Malgré l'état du cadavre, Duck parvint à identifier la victime. La révélation glace le sang des enquêteurs : il s'agit de leur collègue du NCIS de Los Angeles, Lara Macy. Elle semble liée à un passé qui ne cesse de tourmenter Gibbs.

Au Mexique, où il tente de prévenir ses amis des dangers qui pèsent sur eux, Gibbs est enlevé par les hommes de main du cartel Reynosa. Paloma, qui dirige le cartel, lui annonce qu'elle souhaite se servir de lui en menaçant ceux qui lui sont chers. Il est relâché alors que son équipe est résolue à aller le récupérer sur place. Ziva, elle, annonce qu'elle a réussit les tests nécessaires à sa naturalisation.