Sono passati alcuni mesi da quando Gibbs ha lasciato Ziva in Israele e nessuno all'NCIS l'ha più sentita. Preoccupati che possa esserle successo qualcosa, Tony, McGee e Abby ricostruiscono i suoi ultimi spostamenti e scoprono che era in missione per rintracciare il terrorista Saleem Ulman in Nord Africa. Tony e McGee si recano in Africa per ritrovare Ziva ma vengono subito fatti prigionieri da Saleem. Il terrorista somministra il siero della verità a Tony e lo interroga sul modo di lavorare della sua agenzia, su come siano riusciti a trovare la sua base e perché siano andati fino a lì. Incapace di tacere a causa del siero, Tony ricapitola gli ultimi mesi di attività e rivela che all'NCIS tutti credono che Ziva sia morta, lasciandosi sfuggire più volte quanto per lui sia importante Ziva. Tony afferma di essere partito per l'Africa per cercare vendetta nei confronti degli assassini dell'ex collega. Saleem fa portare Ziva davanti a Tony, lasciando lui e McGee (che a terra si finge svenuto) sbigottiti. Quando Ziva chiede a Tony perché proprio lui sia venuto a cercarla, le risponde di non poter vivere senza di lei. Quando Saleem minaccia di uccidere Ziva se Tony non gli rivela chi altro dei suoi colleghi è in Africa, Tony dice a Saleem che gli rimangono trenta secondi di vita e ricorda al terrorista che il suo superiore è un cecchino. Gibbs a quel punto uccide Saleem con un colpo di fucile da due colline di distanza: i tre riescono a fuggire, anche grazie all'arrivo di Gibbs. La squadra torna subito a Washington, dove appena entra in ufficio viene applaudita da tutti i colleghi, compreso il direttore Vance.

Una ballerina ingaggiata per un addio al celibato, trova i tre ospiti morti in strane condizioni. Nella squadra di Gibbs, Ziva non è ancora rientrata, sebbene, dopo aver parlato con Gibbs, si sia rivolta a Vance, il quale vuole farle fare dei test per capire quanto i mesi di prigionia l'abbiano provata. La sostituisce l'agente Filmore che però dà le dimissioni, esasperata da Tony e McGee. Abby, nel frattempo, pur accogliendo felicemente Ziva, le fa un sentito rimprovero per non essersi fidata di Tony pur avendo visto più volte quanto lui tenesse a lei. La squadra comincia ad indagare sul caso e trova un cadavere affogato nel gabinetto, un secondo con la testa in una borsa e un terzo morto per avvelenamento da alcol; a tutti e tre i corpi sono stati rasati i capelli dopo la morte. Durante l'indagine i sospetti si focalizzano su un ufficiale di polizia che, ai tempi del liceo, era vittima delle angherie dei tre deceduti: il modo in cui sono stati ritrovati i cadaveri corrisponde agli scherzi che il poliziotto aveva subito in gioventù. Inoltre si scopre che le tre vittime avevano sfruttato i loro contatti nella marina per organizzare le vendita illegale di un aereo dismesso; in realtà l'addio al celibato era una copertura per l'affare in corso. Gli agenti deducono che il poliziotto, oltre a prendersi la sua rivincita, ha rubato il ricavato della vendita dell'aereo. Ziva, nel frattempo, chiede scusa a Tony per il suo comportamento, dicendogli che lui è sempre stato presente per proteggerla, mentre lei non gli ha voluto credere quando doveva scegliere di chi fidarsi. Dopo l'omicidio del poliziotto, la squadra scopre che il vero colpevole è un altro compagno di liceo delle quattro vittime che voleva incastrare il poliziotto per rubare il denaro dell'affare. Risolto il caso, Gibbs e Ziva si incontrano e lui le chiede spiegazioni riguardo a quando gli aveva salvato la vita uccidendo il fratello, lei risponde che era stata mandata con la missione di uccidere il fratello, ma che si era offerta volontaria per la missione solo perché essendo la sorella aveva intenzione di discolparlo mentre un altro lo avrebbe semplicemente ucciso, infine dice a Gibbs che per lei lui è la cosa più vicina ad un padre. A fine puntata Ziva è seduta alla sua scrivania all'NCIS.

Matt Burns, un blogger politico che ha accusato l'NCIS di voler insabbiare l'omicidio di un giovane ufficiale della marina (Rod Arnett), viene spinto giù da un ponte. In precedenza il blogger aveva accusato l'ufficiale di Insider trading. L'NCIS, indagando sull'incidente automobilistico che ha ucciso Arnett, ha concluso che si è trattato veramente di un incidente; dopo la morte di Burns, la squadra riapre il caso per riesaminarlo, per scoprire se le dichiarazioni del blogger sono vere. Quando l'agenzia riesuma la salma dell'ufficiale per degli esami, scopre che il corpo è stato trafugato. Indagando, la squadra scopre che Arnett forniva informazioni commerciali al proprietario di una paninoteca con cui non aveva nessun contatto se non quello di prendere il treno insieme la mattina: i due avevano guadagnato due milioni di dollari che si sarebbero spartiti. Dopo la morte di Arnett, spaventato dalle false dichiarazioni pubbliche del blogger, il negoziante gli aveva dato appuntamento in strada e lo aveva ucciso. Ziva dice a Gibbs che si è dimessa dal Mossad e gli chiede di assumerla come agente dell'NCIS, non come agente di collegamento.

La notte di Halloween la squadra indaga su quello che sembra lo sfortunato suicidio dell'appuntato James Korby, trovato morto nella sua macchina. Si scopre invece che Korby è stato ucciso e i suoi organi sono stati surgelati con dell'azoto liquido. Qualcuno è riuscito a far ingerire l'azoto a Korby e ha mascherato la sua morte da suicidio. Tony è convinto che Sara, la moglie di Korby (tre volte vedova di marine americani), sia coinvolta. Korby, da tutti conosciuto come inguaribile burlone, non era benvoluto nella sua unità. L'autopsia rivela che Korby è stato recentemente avvelenato e picchiato durante una missione. La squadra scopre che il soldato semplice Singer, appartenente alla stessa unità di Korby, ha una relazione con la moglie della vittima. Sara confessa che al momento dell'omicidio stava andando a casa per rompere col marito. Mentre i sospetti convergono su Sara, Gibbs si rende conto che in realtà la colpevole è la figliastra di Sara, Rachel che, per incassare un fondo fiduciario a lei intestato, ha ucciso Korby e tentato di incastrare Sara.

La barca che Gibbs da tempo costruiva nella sua cantina viene ritrovata in un porto militare, con due uomini uccisi a bordo, ex-marines arruolati in una compagnia militare privata. Gibbs aveva lasciato la sua barca a Mike Franks in Messico, che adesso quindi diventa ricercato per duplice omicidio. Franks spiega a Gibbs che ha ucciso i due mercenari per proteggere la sua famiglia: la vedova di suo figlio Leyla e la nipote Amira. Nel corso delle indagini, Abby ha l'opportunità di esaminare la scena del crimine, la fantomatica barca a vela di Gibbs, che farà a pezzi nel suo laboratorio. Cercherà anche di scoprire come ha fatto a farla uscire dalla cantina, ma il mistero rimarrà irrisolto. Riguardo al caso Franks, si scoprirà che i due mercenari erano stati ingaggiati dalla madre di Leyla, Shada, una capo-tribù irachena che vuole riportare la figlia in Iraq. In realtà a uccidere i militari non era stato Franks, ma la stessa Leyla, che spaventata aveva aperto il fuoco con un fucile e successivamente Franks aveva cercato di coprirla sparando con la sua pistola di grosso calibro sui corpi, per prendersi la responsabilità. Nel finale Shada si reca a Washington per parlare con la figlia di persona, ma prima si mette in mezzo Franks. I due dopo un aspro colloquio sembrano appacificarsi e convenire che, per il suo bene, è meglio che Leyla rimanga negli Stati Uniti. Inoltre, il leader della compagnia militare privata viene arrestato per aver operato in Messico, dove l'attività di mercenario è vietata.

Nei pressi di un'accademia navale viene rinvenuto il corpo di un medico ucciso. Eccezionalmente il primo a recarsi sulla scena del crimine è il direttore Vance: le modalità del delitto infatti ricordano una sua vecchia conoscenza, l'affascinante nordcoreana Lee Wuan Kai (conosciuta nell'episodio Nemesi della prima stagione di NCIS: Los Angeles), alla quale dà la caccia da anni. Il team di Gibbs si mette quindi sulle sue tracce. McGee nel frattempo conosce una ragazza, che inizia a frequentare. Presto scoprirà però che si tratta di un'agente segreto che cerca di sfruttarlo per sapere se l'NCIS è riuscita a localizzare Kai. Sarà la stessa Kai ad ucciderla. Nel finale, si scopre che Kai è andata a Washington solo per regolare conti personali, uccidendo tutti coloro che l'avevano addestrata sin da bambina a diventare una spietata assassina. Compiuta la sua vendetta si reca a casa di Vance, chiedendogli di finire il lavoro e ucciderla, cosa a cui provvederà la moglie del direttore.

A causa di un'esplosione a una centrale elettrica l'intero stato di Washington rimane al buio, contemporaneamente la sede di un provider viene preso d'assalto da un gruppo di persone armate, che riescono ad accedere ad una sala di server militari segreti. Una delle persone autori dell'incursione rimane uccisa, si tratta di una marine. La squadra dell'NCIS è dunque chiamata ad indagare su tali strani eventi, senza però poter contare sulle tradizionali strumentazioni elettroniche, venendo così costretti ad operare con metodi antiquati e di conseguenza molto lentamente. Le indagini, senza l'ausilio di computer e senza gli strumenti di Abby, fa comunque il suo corso: si scoprirà presto che la marine non era una complice ma era stata rapita in quanto in grado di aprire la porta di sicurezza che chiudeva la sala dei server militari, dove gli autori dell'incursione hanno sostituito un server in modo da riuscire ad infiltrarsi nel sistema e rubare importanti informazioni segrete. La mente del piano era proprio una delle guardie della struttura vittima dell'assalto. Poco dopo la fine delle indagini l'energia elettrica viene finalmente ripristinata e tutto può ritornare alla normalità anche nella sede dell'NCIS.

Dopo che il corpo di un marine viene ritrovato ucciso in un campo di mais, la squadra inizia le indagini, che, dopo aver escluso l'ipotesi di una vendetta ad opera di una gang, portano nella base di un'intelligence militare che sfrutta "bambini prodigio" per migliorare le tecniche militari. Il marine morto era la guardia del corpo di una delle bambine presenti nella struttura. La bambina in questione nascondeva codici militari segreti in dei college, che poi venivano venduti dalla direttrice della base a società di videogames. Nel frattempo Ducky cerca di convincere tutta la squadra ad essere ospite a casa sua per il giorno del Ringraziamento, riuscendoci.

Un marine recentemente convertitosi all'islam viene ritrovato morto in apparente posizione di preghiera su un parco innevato. Il team dell'NCIS inizia subito ad indagare sulla pista dell'intolleranza religiosa, partendo dal padre, un ex marine ora reverendo. Si scoprirà che il padre era arrivato fino a pagare i colleghi marine di suo figlio purché cercassero di fargli cambiare idea e farlo rimanere di religione cristiana, ma non era arrivato fino ad ucciderlo. Dopo aver scartato anche l'ipotesi che l'aggressore fosse la moglie, che già in passato l'aveva tradito, il colpevole viene identificato nel fratello della vittima, che in un litigio per via della scelta religiosa compiuta dal marine, gli ha sferrato un colpo alla testa con una mazza.

Nel frattempo, Gibbs riceve con l'occasione del Natale, la visita di suo padre, che appare però molto depresso a causa di un recente trauma vissuto: nel suo locale ha ucciso un giovane che stava tentando di rapinarlo. McGee trova il tempo di compiere una buona azione facendo un favore chiesto da Abby e Tony si vede costretto a fare un regalo ad una collega dell'area risorse umane dell'agenzia.

Due ranger trovano il corpo di un marine in un'area di foresta che aveva da poco subito un incendio. Una volta arrivata sul posto, la squadra NCIS scopre che il capitano è morto a causa di una forte esplosione e McGee capisce che a esplodere è stato un jet pack. Durante le indagini McGee si dimostra molto ferrato sull'argomento dei jet pack, dai quali è profondamente affascinato. Intanto una misteriosa donna avvocato intralcia la squadra nel suo lavoro, apparendo improvvisamente ogni volta che tentano di interrogare qualcuno.

In una base aerea della marina, l'autovettura di un principe arabo salta in aria, ma muore solo l'autista, poiché in quel momento il principe era lontano dal veicolo. Gibbs e la squadra dell'NCIS pensano che si tratti di un attentato fallito, poiché la bomba è esplosa prima del previsto. Nel frattempo Tony riceve una visita inaspettata, quella di suo padre, che finirà per il ritrovarsi coinvolto nelle indagini a causa della sua amicizia con la famiglia reale del principe.

Tony e Ziva si recano a Parigi per scortare nel viaggio di ritorno verso gli Stati Uniti una donna testimone chiave in un caso di corruzione. Il viaggio sembra procedere come previsto, finché il resto della squadra dell'NCIS non comunica loro che un killer assoldato per uccidere la donna potrebbe essere a bordo. Dopo aver sospettato di un agente federale presente a bordo, scoprono che ad essere coinvolti sono gli assistenti di bordo. Gibbs e McGee nel frattempo scopriranno che il mandante in realtà è il fidanzato della donna.

La squadra dell'NCIS si ritrova in una corsa contro il tempo per prevenire l'esplosione di alcune bombe sporche ad opera di un gruppo di terroristi sudamericani. L'avvocatessa del colonnello Bell Allison Hart cerca di ostacolare gli uomini di Gibbs, assumendo le difese di uno degli indiziati, ma la squadra riuscirà comunque a svolgere le indagini e scoprire che in realtà non è coinvolto nessun gruppo terroristico nella minaccia di attentati, ma si tratta di una messa in scena ad opera di una società militare privata che vuole mettere pressione sul Congresso per l'approvazione di un finanziamento di milioni di dollari.

Gibbs e la sua squadra indagano sull'omicidio di un marine. In seguito la squadra individua una pista, riguardante alcuni traffici di autotrasporti illegali. Per risolvere la faccenda, Gibbs e la sua squadra collaborano ancora una volta con l'agente speciale Fornell dell'FBI.

L'unica testimone in un caso d'omicidio è Joanne Fielding, ex suocera di Gibbs e madre della sua prima moglie, Shannon. Per l'agente speciale è un duro colpo, ma le indagini del team rivelano che la donna potrebbe non essere solo un testimone...

L'NCIS indaga sull'aggressione ai danni di un marine, il quale era stato dato per disperso in una missione in Afghanistan sei anni prima. Durante le indagini, Gibbs e la sua squadra scoprono che l'uomo era fuggito dall'Afghanistan con un'ingente somma di denaro appartenente ad un criminale, e che conduceva da tempo una doppia vita.

Dopo il ritrovamento del cadavere di un marine la squadra è costretta a collaborare con l'agenzia CGIS. Le indagini porteranno alla scoperta di una truffa per avere i soldi di un tesoro sommerso.

La squadra riesce a collegare la morte di un ufficiale della marina ad una ragazza squillo e deve far ricorso all'aiuto di Holly Snow per trovare il colpevole.

Dopo la morte di un marine e di un pentito che stava per andare nel programma protezione testimoni la squadra di Gibbs si ritrova a indagare sul luogo del secondo lavoro della specialista del poligrafo dell'NCIS. Mentre Gibbs e l'agente dell'FBI Fornell stanno parlando con la ragazza c'è un'esplosione in cui muoiono tutti i lavoratori. Così l'unica sopravvissuta diventa una possibile sospettata.

Indagando su un omicidio, il team è alla ricerca sia dell'assassino che della sorella del defunto, una nota giornalista, che risulta scomparsa. In particolare Tony sembra ossessionato dalla donna tanto da far dubitare dell'obiettività del suo giudizio.

Nella ricerca di un serial killer, il team s'imbatte in una sorta di guerra tra boss della droga. Intanto McGee accompagna Abby in Messico dove è stata invitata come consulente scientifica.

Gibbs e i suoi sono alle prese con l'omicidio di un'agente dell'NCIS, un'agente che Gibbs conosceva molto bene. Intanto Abby è tormentata dalla verità che ha scoperto sul conto di Jethro e non sa come agire in merito.

Gibbs deve affrontare le conseguenze delle sue azioni e ancora una volta si reca in Messico dove è costretto a prendere una decisione che avrà grosse ripercussioni sulla sua vita.