La puntata si apre con Paloma Reynosa che tenta di uccidere Gibbs Senior a Stillwater. Alcuni mesi dopo la squadra di Gibbs è sparsa per il mondo: McGee in Canada che controlla il fronte per possibili incurisoni della Reynosa, Ziva sta a Miami perché si pensa che Paloma Reynosa passerà dalla Florida per arrivare in Canada creando un canale della droga, Tony segue Gibbs a Washington. Presto si scoprirà che Paloma sta solo giocando al gatto e al topo: in realtà vuole solo raccogliere informazioni su Gibbs lasciandogli nello stesso tempo numerosi messaggi di morte, avvicinandosi progressivamente a casa sua dove suo padre è tenut sotto protezione. La puntata prosegue tra giochi di potere tra Alejandro Rivera, Gibbs e Paloma finché grazie ad un astuto piano di Jethro la puntata avrà un tragico epilogo, infatti Paloma verrà uccisa dal suo stesso fratello, che crede che nella casa ci sia Jethro e non sua sorella. Nella scena finale si vede Vance che archivia la relazione di Abby su Gibbs in un luogo dove nessuno lo troverà, e, mentre si avvia all'uscita, riceve un misterioso sms da Eli David, direttore del Mossad, su cui c'è scritto "l'ho trovato".

L'NCIS indaga sulla sparizione di una bambina da una base marine a Quantico. Il nonno della ragazza complica le indagini di Gibbs e i suoi uomini. Gli indizi riguardanti una scia di omicidi conducono proprio all'uomo, il quale confessa di aver fatto parte di una operazione condotta al di fuori della catena di comando. Qualcuno si sta servendo del rapimento della nipote allo scopo di farlo uscire dal suo ritiro e regolare così tutti i conti del passato. Gibbs organizza l'ennesimo bluff. Intanto, tre tirocinanti sono assegnati ai membri della squadra NCIS. Abby è preoccupata dal momento che l'ultimo tirocinante ha tentato di ucciderla. McGee ha a che fare con un giovane che non sembra essere interessato al lavoro sul campo, mentre Ducky sembra trovarsi a suo agio con la sua nuova allieva.

L'NCIS risponde a una chiamata di emergenza dopo che Heather Dempsey, un artificiere della Marina, spara e uccide un intruso in casa sua. Dempsey inizialmente non collabora alle indagini, ma appare sempre più evidente che non era sola al momento dello scontro. Lo sconosciuto si rivela essere un importante funzionario dell'FBI con cui la marine ha una relazione, mentre l'intruso in realtà era un assassino venuto ad uccidere uno dei due. Successivamente la nostra squadra scopre che il fratello di Dempsey è stato colpito e paralizzato da un uomo in una guerra tra bande a cui è stato messo in custodia protettiva in cambio della sua testimonianza; utilizzando l'amante, Dempsey riesce a rintracciarlo per vendicarsi, ma Gibbs la fermerà in tempo.

A bordo di una nave inglese della Royal Navy viene ritrovato il corpo senza vita di un guardimarina americano. Gibbs e la sua squadra vengono chiamati ad indagare, ma le complicazioni iniziano quando qualcuno cerca di arrivare alla nave prima dell'NCIS. Scoprono che il marine defunto era coinvolto nella consegna di una grande quantità di denaro della CIA, utilizzati per pagare i signori della guerra e dittatori in Afghanistan; tuttavia i soldi sono scomparsi. In un primo momento, il team sospetta che l'ufficiale di collegamento della Royal Navy sia il responsabile, ma presto scoprirà che in realtà è un agente MI6, incastrato per il furto. Con il suo aiuto, riusciranno a rintracciare il vero colpevole.

La squadra indaga sulla morte di un DJ radiofonico e un ufficiale di marina che sono stati entrambi uccisi in diretta. Durante la ricerca dell'assassino, scoprono un grande gruppo nazionale terroristico composto principalmente da proprietari di case benestanti che vivono in un esclusivo quartiere residenziale per ricchi chiuso. I componenti del gruppo credono che l'America dovrebbe spendere più soldi per difendere se stessa piuttosto che impiegarli in guerre all'estero. Gibbs cerca di arrestare tutti i soci, ma scopre che il gruppo ha piazzato una bomba in una partita di softball frequentato da numerosi politici di alto profilo per destare clamore. La nostra squadra riesce all'ultimo momento ad evacuare la folla prima che la bomba esploda.

Tony e colleghi si occupano dell'omicidio di una scienziata della Marina. Per qualche motivo Abby sembra essere ossessionata da quest'indagine e McGee, come il resto della squadra, comincia a preoccuparsi di questo interessamento. Nel frattempo anche Tony conosce le sue disavventure. La sua nuova fiamma, infatti, gli crea non pochi problemi facendolo travestire per Halloween.

Quando si verifica un omicidio di un ex comandante della Marina, Gibbs si imbatte in un pezzo di una vecchia bomba nucleare che era stato perso durante la Guerra Fredda, ora ritrovato da una compagnia navale privata che vuole rivenderla al mercato nero. Dato che la vittima aveva collegamenti con il padre di Tony, lo rintracciano per interrogarlo. Alla fine, con gran fastidio di Tony, Gibbs recluta DiNozzo Senior, il quale usando i propri contatti dovrà infiltrarsi in una festa privata a cui parteciperanno alcuni trafficanti d'armi.

Il padre di Ziva, Eli David, è a Washington per partecipare a una conferenza dell'NCIS. Nel frattempo dei contrabbandieri vengono trovati cadaveri nelle acque dei Caraibi. Si scopre che ad ucciderli sono stati dei terroristi palestinesi che danno la caccia proprio al padre di Ziva e che usavano quella nave per entrare clandestinamente negli Stati Uniti. DiNozzo, McGee, Ziva e un paio di agenti del Mossad sono incaricati di proteggere Eli David. L'episodio si conclude con l'apparente fallimento dell'attentato alla conferenza, e con Vance e David che vengono mandati in una casa sicura. Gibbs tuttavia non riesce a contattare Hadar via radio. (Si tratta della prima parte di un episodio doppio).

Gibbs arriva al rifugio segreto trovandolo semidistrutto; Hadar è morto, Vance gravemente ferito mentre Eli risulta disperso. Alla fine, la squadra rintraccia Eli, che si era nascosto per eludere i suoi assassini. Deducono che l'uomo che ha piazzato le bombe sia all'interno dell'NCIS e che in realtà voleva uccidere Vance. L'attentatore si rivela essere Riley McCallister, il capo della sezione NCIS di San Diego, poiché in passato Vance ed Eli gli hanno rovinato la sua scalata al posto di direttore e tenta di ucciderlo dandogli una dose letale di morfina, ma Vance riesce a ferirlo a morte con un coltello. Prima di ritornare in Israele, Eli si riconcilia con Ziva.

Il team dell'NCIS indaga sulla sparizione di un Sottufficiale di Marina che è l'unico testimone in un processo per omicidio. Nel frattempo, Ziva e McGee cercano di scoprire il motivo dello strano comportamento di Tony.

Gibbs, assieme all'agente del Servizio Investigativo della Guardia Costiera (CGIS) Abigail Borin, deve indagare sull'omicidio di un primo tenente dei marines avvenuto durante una cena su uno yacht. La squadra viene a sapere che la vittima era l'erede di un'importante società con contratti milionari con l'esercito, e aveva intenzione di trasformarla in una organizzazione no profit. Mettendo insieme gli indizi, la squadra scopre che la morte della vittima è stato il risultato di una cospirazione tra la sorella, l'avvocato della famiglia, e il CFO della società.

Un reclutatore viene ucciso in una scuola superiore, spingendo Gibbs ad indagare. La squadra scopre l'omosessualità del sottufficiale, portando Gibbs a classificare l'omicidio come un crimine razziale. Il predecessore di Ducky presso l'Ncis, il Dr. Magnus (Bob Newhart), si unisce al team. La squadra rintraccia molti sospetti, ma alla fine l'assassino si rivela essere il padre di uno degli studenti di cui il sottufficiale era confidente. Il padre credeva che il sottufficiale volesse una relazione con suo figlio, ma non si era reso conto che stava solo cercando di aiutarlo con la sua omosessualità. Nel frattempo, Magnus rivela il vero motivo della sua visita: egli è affetto dal morbo di Alzheimer e sperava che tornando all'Ncis lo avrebbe aiutato a ritrovare i suoi ricordi. Per aiutare Magnus, Ducky gli dà una raccolta di immagini di tutte le persone che Magnus aveva aiutato durante la sua permanenza in Ncis.

La squadra indaga sull'omicidio di un marine trovato picchiato a morte nel cortile di casa sua. Scoprono la moglie Marine (Christina Cox) veniva pestata regolarmente dal marito senza che lei reagisse mai per amore di suo figlio; inoltre quest'ultimo aveva una relazione con un'altra donna. Si trovano numerosi sospetti, ma alla fine si scopre che l'assassino è un proprietario di un bar, con cui la moglie del marine aveva avuto una relazione in passato. Nel frattempo, McGee è vittima di un furto di identità; infatti qualcuno inizia a utilizzare la sua carta di credito per comprare vari oggetti costosi. Tony rintraccia e scopre chi è il ladro, che si rivela essere il figlio della padrona di casa di McGee. Il ragazzo dice di aver rubato l'identità di McGee perché vedeva che era troppo noioso e che non si concede mai tempo per godersi la vita. Insieme, Tony e il ragazzo riescono a convincere McGee a venire con loro a comprare videogiochi.

L'NCIS investiga sulla morte di un comandante di una nave militare, trovato morto nella sua stanza, apparentemente ucciso. Nel frattempo Gibbs e il suo team vengono valutati psicologicamente dalla dottoressa Rachel Cranston che in seguito si scoprirà essere la sorella maggiore dell'agente Kate Todd. Si scopre che il comandante si è suicidato, poiché era ormai vicino al pensionamento obbligatorio e non aveva altra vita all'infuori della Marina; così i suoi colleghi avevano mascherato il suicidio in segno di rispetto per lui.

All'NCIS viene assegnato il compito di proteggere la figlia del ministro della difesa di Belgravia, dopo che un attentato alla vita di quest'ultimo viene sventato grazie al sacrificio di un marine. La ragazza sembra prendersi una cotta per McGee, ma viene improvvisamente rapita da due aggressori armati. Furioso per il loro fallimento, Vance ordina alla squadra di ritrovarla entro 48 ore o McGee e DiNozzo verranno allontanati dall'NCIS. La squadra scopre che Adriana, che è sempre stata in disaccordo con le politiche del padre, ha organizzato il suo rapimento con l'aiuto di un professore universitario e di un suo compagno di studi per fermare la firma di un trattato tra Stati Uniti e Belgravia. Tuttavia, quest'ultimo diventa avido e decide di tenerla a scopo di estorsione. Fortunatamente, il team è in grado di salvarla, ma non sono in grado di arrestarla per il suo ruolo nel complotto per l'immunità diplomatica.

La scoperta di alcuni denti estratti e di dita smembrate in una borsetta appartenenti a un Marine costringono l'NCIS a intervenire. Mentre la squadra cerca di rintracciare il killer, un investigatore di una società di sicurezza elettronica viene incaricato di rintracciare la fonte di una serie di attacchi informatici provenienti dai computer dell'NCIS. Questo rende nervoso McGee, poiché è regolarmente entrato illegalmente nei computer del governo agli ordini Gibbs per risolvere i vari casi. La squadra riesce a rintracciare Maxine, la fidanzata del Marine morto, grande amante dei videogiochi ed esperto di computer. Comincia a prendere in simpatia McGee, anche se lui cerca di mantenere le distanze per via di un oroscopo sfavorevole. Lei racconta di aver casualmente scoperto una sorta di codice cifrato in un MMORPG: si rivela essere un programma in grado di hackerare i firewall del Pentagono, azzerando tutti i dati dei server governativi. La squadra rintraccia il programmatore responsabile, ma viene trovato morto, nelle stesse circostanze del marine. Gibbs e McGee capiscono che l'investigatore arrivato in precedenza è dietro alle uccisioni, dal momento che le notizie di una tale minaccia alla sicurezza americana avrebbe rovinato la sua carriera. Il programma si attiva, ma un attimo prima che penetri completamente le difese informatiche del Pentagono Gibbs lo ferma a modo suo. Più tardi, Dinozzo manipola gli eventi, in modo che McGee cominci ad uscire con Maxine.

Si scopre che un ex assistente-investigativo dell'NCIS, trovato brutalmente pugnalato a morte, vendeva i dettagli su come rubare un magazzino pieno di beni preziosi. La nostra squadra apprende che il magazzino contiene oggetti sequestrati ad un ex ufficiale della Marina (JoBeth Williams), condannata per aver truffato migliaia di risparmiatori utilizzando uno schema Ponzi e trasferendo i soldi in conti esteri, non ancora rintracciati dalle autorità. Mentre indaga sul magazzino, la squadra scopre che è stato rubato un misterioso oggetto da uno scomparto segreto della scrivania appartenuta all'ex-ufficiale. Per trovare l'assassino, Gibbs fa un patto con quest'ultima promettendole gli arresti domiciliari in cambio della sua identità. Alla fine di dimostra essere una manovra di Gibbs per attirare fuori il vero assassino, l'ultimo di una banda di ladri che ha perso i suoi soldi cercando di riciclarli attraverso conti dell'ufficiale. Questa, una volta arrivata a casa, recupera l'oggetto misterioso, che altro non è che il suo taccuino contenente i conti bancari dove ha nascosto i soldi e scappa per sfuggire all'assassino, violando così gli arresti domiciliari. Gibbs e Ziva arrivano sul posto, arrestando sia il killer e l'ufficiale e al tempo stesso ricevendo le prove di cui avevano bisogno per mandarla in prigione a vita. Nel frattempo, causa tagli di bilancio personale NCIS, la squadra operativa di stanza in Spagna viene trasferita a Washington DC. Tony si infatua subito del leader del nuovo team, un'avvenente donna cui è stato dato l'incarico dopo che Tony lo rifiutò quando il direttore Shepard glielo offrì, la quale sembra ricambiare.

Il direttore Vance assegna a Gibbs il caso di un tossicodipendente adolescente accusato di parricidio; tuttavia il crimine è ormai compiuto da due settimane, e le indagini della polizia sembrano portare alla sua colpevolezza. Le circostanze dell'omicidio lasciano Gibbs perplesso fin dall'inizio: quando l'NCIS comincia a trovare delle incongruenze nelle indagini crede all'innocenza del ragazzo, aumentando così i contrasti con Vance. Ma la verità non è mai come sembra.

Un messaggio (the bird song, il canto dell'uccello) di un ufficiale della marina deceduto, legato all'Intelligence della Difesa, guida il team di Gibbs alla ricerca di un manoscritto contenente informazioni su una operazione militare anti-terrorismo. Mentre la squadra indaga trovano il corpo di un agente dell'Fbi assassinato, e scoprono che entrambe le vittime erano coinvolte nella scrittura del libro. Quando dei funzionari dei servizi segreti della Marina cominciano a distruggerne tutte le copie esistenti, Gibbs è costretto a rintracciare l'anonimo autore, il quale permette la cattura del trafficante d'armi che aveva rubato un carico durante la missione, anche se alla fine non risulta essere lui, anzi lei, l'assassino.

L'assassinio di un marinaio dirotta le attenzioni sul serial killer dei porti, inducendo il direttore Vance a creare una task force composta dalle squadre di Gibbs e dell'agente speciale Barrett, con quest'ultima designata come capo investigatore. Nel frattempo, il team incontra Ray Cruz, il nuovo ragazzo di Ziva. Invece di dare il benvenuto a Ray, Tony lo tratta con freddezza. L'episodio si conclude con Ziva e DiNozzo in un bar, dove si trovano un bulbo oculare umano che galleggia nel gin tonic offerto da un avventore non identificato.

Il team di Gibbs indaga sulla morte di un agente della marina il cui omicidio sembra essere stato registrato da una camera di sicurezza. Nel frattempo, il team dell'agente Barrett continua a investigare sugli omicidi del killer dei porti.

Il passato di DiNozzo come detective della polizia di Baltimora e le sue origini come agente vengono esplorate quando il suo vecchio partner alla polizia di Baltimora viene trovato morto nella sua abitazione. Il team collega il suo omicidio al killer dei porti per scoprire che l'omicidio era opera di un emulatore che aveva scoperto che il collega di DiNozzo aveva capito che era stato lui a commettere un omicidio molti anni prima, negli anni in cui Tony era un detective della polizia in un caso durante il quale Gibbs e DiNozzo si conoscono per la prima volta.

L'NCIS viene posto in massima allerta quando viene provato che il killer dei porti si è infiltrato nell'agenzia.

Il killer dei porti continua l'assalto contro i team di Gibbs e Barrett.