Quelques mois après avoir attenté à la vie du père de Gibbs, Pamela Raynosa est de retour aux États-Unis, cette fois pour consolider la distribution de sa marchandise le long de la côte Est. Gibbs est de nouveau la cible de la reine du cartel mexicain qui mène une vendetta contre lui. En plus de son instinct légendaire, l’agent peut compter sur le directeur du NCIS, son équipe et Mike Franks.

Sur la base de Quantico, une lycéenne, dont les parents viennent d’hériter d’un petit pactole, a été enlevée. Lorsqu’une demande de rançon est formulée, le grand-père de l’adolescente, un ancien agent spécial, prend les choses en main pour la retrouver et double le NCIS.

Une démineuse, qui a servi en d’Irak, appelle les secours après avoir tué un intrus entré chez elle par effraction. L’homme était un tueur à gages et la Marine était en compagnie d’un responsable du FBI le soir des faits. Le NCIS et le FBI mènent l’enquête pour savoir lequel des deux amants était la cible du tueur.

Le corps d'un officier américain est découvert dans la piscine d'un pavillon. L'autopsie révèle qu'il est mort noyé après avoir reçu un coup sur la tempe avec un boulon semblable à ceux que l'on trouve sur les navires britanniques. L'épouse de la victime révèle à Gibbs que son époux était en mission spéciale depuis plusieurs semaines. Très vite, l'affaire se transforme en incident diplomatique.

Un animateur, son régisseur et un commandant de la Navy, interviewé dans une station radio locale, ont été assassinés en direct. L’animateur avait reçu les menaces d’un auditeur patriote se targuant d’être en possession d’une bombe, mais en le cherchant, le NCIS trouve finalement plusieurs suspects potentiels.

Quand le lieutenant de la Navy Clea Thorson est retrouvé mort après avoir été renversé par un bus dans la rue, Ducky découvre des symboles chimiques et des codes écrits à l'encre noire sur tout le corps. L'autopsie révèle que Clea était lentement empoisonnée, la rendant malade mais aussi paranoïaque.

Gibbs fait appel au père de DiNozzo pour l'aider dans une enquête sur la mort d'un retraité de la marine qui travaillait pour une compagnie minière et maritime internationale. Son corps a été découvert dans une poubelle, au sein d'une prestigieuse école navale, alors qu'il venait d'arriver de Suisse. Anthony DiNozzo Sr., qui était à bord du même avion, semble être la dernière personne à avoir vu la victime vivante.

Le NCIS questionne une femme qui a volé des informations sur des cartes de crédits. Il s'avère que parmi les numéros de cartes en sa possession, l'un d'eux est répertorié comme appartenant à un homme signalé comme terroriste. Le NCIS découvre alors que cette femme est un agent du Mossad. Gibbs enquête sur la mort de trois passeurs au large de la côte de Floride. Les contrebandiers semblent avoir un rapport avec la présence de cette femme ainsi que d'autres agents du Mossad qui sont aux Etats-Unis pour une conférence. Gibbs découvre que des terrorristes sont en ville pour assassiner le directeur du Mossad, David Eli, le père de Ziva...

Les agents du NCIS ont découvert le corrs de Amit Hadar, qui travaille pour le Mossad. Vance veut à tout prix que le directeur de l'agence d'espionage israéliene, Eli David, soit localisé. Vance et Eli David se connaissent bien. Ils se sont rencontré pour la première fois en 1991, lorsque Vance avait été envoyé en mision à Amsterdam pour saboter une opération russe. A l'époque, Eli David avait fourni à Vance des informations capitales, qui lui avaient permis d'éviter un piège. Aujourd'hui, Tony pense que McCallister, un ancien agent du NCIS, était à l'origine du traquenard organisé pour nuire à Vance. La cible russe de Vance était payée par McCallister...

Jerry Neisler, un officier de marine, témoin capital dans une affaire de meurtre, a disparu. Le NCIS opère une fouille méthodique de son appartement et étudie son passé avec attention, mais rien n'explique cette disparition soudaine. Le jeune homme avait d'excellents états de service. Il s'avère plus tard qu'il était régulièrement muté. Au cours de l'enquête, Ziva et McGee sont surpris du zèle de DiNozzo.

Jeremy Nolan, un jeune lieutenant de marine, est abattu au cours d'une soirée sur un bateau. Présente lors du drame, Abigail Borin, une enquêtrice des garde-côtes, propose son aide à Gibbs. Les agents du NCIS découvrent que l'officier était le seul héritier d'une famille fortunée. Son père le destinait à prendre les rennes de l'entreprise familiale, mais Jeremy avait préféré joindre le corps des marines.

Le corps de Simon Craig, un quartier-maître de 27 ans, est retrouvé dans la cage d'escalier d'un lycée. L'homme travaillait pour un centre de recrutement des forces armées américaines. En interrogeant la sœur de Simon, Gibbs découvre que celui-ci était homosexuel et fréquentait secrètement un professeur d'anglais. Pendant ce temps, Walter Magnus, un retraité du NCIS, rend visite au Dr Mallard.

Alors que l'équipe enquête sur le meurtre du commandant d'un navire, retrouvé une balle dans le corps par un membre de l'équipage, une psychiatre arrive dans le service. Il s'agit de Rachel Cranston, chargée d'évaluer l'équilibre psychique des différents agents. Sa présence pendant l'enquête perturbe les membres du NCIS, autant qu'elle ravive de vieux souvenirs, notamment de l'époque où l'agent Todd était parmi eux.

Un marine est tué en sauvant la vie d'Andor Gorgova, le Premier ministre d'une république étrangère venu signer un important traité avec un secrétaire d'Etat américain. Gibbs et son équipe sont chargés de protéger la fille de Gorgova, Adriana, qui fait ses études aux Etats-Unis depuis six ans. La jeune femme tombe vite sous le charme de McGee. Mais alors qu'elle est sous sa protection, Adriana se fait enlever.

L'équipe enquête sur le meurtre de Troy Amstrong, un caporal de marine dont le cadavre a été retrouvé amputé de morceaux de doigts et les dents arrachées. Leurs recherches les mènent à un jeu vidéo qui dissimulerait des codes secrets représentant une menace pour la sécurité nationale. Au cours de ses investigations, McGee tombe sous le charme de l'ex-petite amie de la victime, Maxine Edwards.

Un des anciens membres de l'équipe du NCIS a été tué, sauvagement poignardé. Tout laisse à penser que l'homme détenait de précieuses informations qui devaient servir au cambriolage d'un entrepôt rempli de biens de valeur. L'enquête amène Gibbs à passer un accord avec une receleuse actuellement en détention. Parallèlement, EJ Barrett, une recrue, rejoint l'équipe. DiNozzo est immédiatement sensible à son charme.

Un marine à la retraite est découvert mort chez lui, assassiné à coup de hache. Le principal suspect n'est autre que son fils, Nick, âgé de 18 ans Vance demande à Gibbs de l'interroger. Les preuves sont minces et seuls les aveux du suspect pourraient permettre sa condamnation. Au cours de l'enquête, Gibbs découvre que Nick se drogue, et qu'il a des problèmes d'addiction médicamenteuse depuis plusieurs années.

Gibbs et son équipe enquêtent sur le meurtre d'un commandant de la Navy qui pourrait être en rapport avec un livre sur le point d'être publié. L'ouvrage contient des informations sensibles sur une affaire d'armes volées en Afghanistan. Tandis que le NCIS tente d'en trouver l'auteur, un second meurtre a lieu. Parallèlement, grâce à une indiscrétion, Tony apprend que Gibbs est invité au mariage de son ex-femme.

Le NCIS mène l'enquête sur un tueur en série qui enveloppe ses victimes dans du plastique transparent. L'agent Barrett, qui tente de l'identifier depuis longtemps, participe aux investigations, ce qui déplaît fortement à Gibbs. Ziva présente Ray Cruz, son petit ami, à l'équipe. Celui-ci confie à DiNozzo qu'il est très épris de la jeune femme mais leurs relations se tendent lorsque Ziva découvre qu'il lui a menti.

L'équipe enquête sur un meurtre survenu au Pentagone. Le crime a été filmé par une caméra de sécurité. La victime est une jeune femme, lieutenant de la marine. L'affaire se complique lorsque le tueur identifié sur la vidéo est retrouvé mort après un accident de voiture. Ducky affirme qu'il était mort avant le premier assassinat. Gibbs pense que la relation qu'entretient Tony avec EJ affecte son travail.

Danny Price, un ancien coéquipier de Tony, qui travaillait à Baltimore, est retrouvé mort. Il semble être la dernière victime d'un tueur en série. Pour élucider le crime, Tony se replonge dans son passé. Il semblerait en effet que ce meurtre soit lié à une ancienne enquête que les deux policiers menaient à l'époque. Tony avait alors découvert que Price trempait dans des affaires louches.

De nouvelles preuves permettent de comprendre que le tueur de port-à-port a infiltré le NCIS. L'équipe de Gibbs et celle de l'agent Barett poursuivent leurs investigations et se lancent dans une course contre la montre pour l'arrêter. Tourmenté à l'idée d'être relégué au second plan dans cette affaire, Gibbs appelle son vieux complice Mike Franks à la rescousse. Ensemble, ils réexaminent l'historique de cette enquête.

L'identité du tueur de port-à-port est enfin connue. Il s'agit de Jonas Cobb, un lieutenant qui a été entraîné quelques années auparavant pour participer à une opération secrète. Après avoir enlevé EJ Barrett, sauvée in extremis par Gibbs, il réussit à tendre un guet-apens à Ziva. Toute l'équipe se mobilise pour la retrouver. Parallèlement, Gibbs apprend que EJ a un lien de parenté très étroit avec le secrétaire de la Navy.