Blessé et partiellement amnésique, DiNozzo est hospitalisé. Rachel Cranston l'aide à recouvrer la mémoire. L'agent se rappelle bientôt que, quelques mois plus tôt, Clayton Jarvis a fait appel à lui pour une mission secrète dont étaient exclus ses partenaires, y compris Gibbs. Au cours de cette opération, il avait été en contact avec l'agent EJ, activement recherchée après qu'elle a subtilisé une puce dissimulée sous la peau d'un défunt.

Un jeune marine, revenu récemment d'Afghanistan, est assassiné alors qu'il se rendait à la fête organisée pour son retour. La trace d'une injection dans son bras laisse soupçonner une tentative d'enlèvement. Abby découvre que ce jeune homme sans histoire et aimé de tous avait récemment tenté de pirater le site internet de l'Etat de Virginie. Parallèlement, DiNozzo tente de retrouver un ancien camarade de classe.

En enquêtant sur le meurtre d'un lieutenant, l'équipe fait une étonnante découverte. En effet, Penelope Langston, qui n'est autre que la grand-mère de McGee, pourrait être impliquée dans ce crime. Elle était en contact secret avec la victime à propos de renseignements confidentiels concernant une entreprise de recherche, consacrée aux innovations militaires. Gibbs demande à McGee de faire parler Penelope.

The Cooler, un tueur à gages redoutable, est hospitalisé dans un état grave après avoir été renversé par une camionnette. Le détective Danny Sportelli, qui enquêtait sur lui, découvre qu'il s'apprêtait à éliminer un lieutenant de la marine, Geoffrey Brett. L'affaire est alors confiée au NCIS. Ziva est chargée d'escorter Brett vingt-quatre heures sur vingt-quatre. Parallèlement, Abby fait une découverte bouleversante...

L'équipe enquête sur l'assassinat d'un officier des gardes-côtes. Le drame s'est produit sur un cargo que la victime inspectait. Avec l'aide d'Abigail Borin, Gibbs recherche le meurtrier et découvre des clandestins à bord. Il s'agit d'une famille de Libanais qui demande l'asile politique aux Etats-Unis. Ziva éprouve beaucoup de compassion pour la mère Mariam Bawali, qui semble prête à tout pour protéger les siens.

L'équipe enquête sur la mort d'un lieutenant de la marine, qui a été percuté par un camion sur une route. L'autopsie révèle qu'il a été drogué avec de l'ecstasy et que son décès a été provoqué par une hyper hydratation forcée. Quelques jours plus tard, le mari d'une membre des forces navales est retrouvé inanimé dans des circonstances similaires. Dans le même temps, Mary Courtney, la nouvelle petite amie de Ducky, intrigue toute l'équipe.

Lorsque son nouvel époux Victor disparaît, Diane contacte ses ex-maris Gibbs et Fornell. Tout semble indiquer qu'il a été enlevé. La collaboration se révèle délicate entre les deux anciens rivaux et leur ex-compagne, qui semble ne pas avoir enterré la hache de guerre. Les recherches d'Abby prouvent que Victor a utilisé son badge en pleine nuit pour se rendre dans les locaux de la Sécurité intérieure.

Un avion militaire, qui transportait les corps de six Marines, tués sur le théâtre des opérations en Afghanistan, s'écrase. Seul un membre d'équipage survit au crash. Les premières constatations font penser à un accident. Le lieutenant Burke vient aider les agents à faire le lien avec les familles des défunts. Gibbs et son équipe découvrent que l'ADN du lieutenant Flores, qui comptait parmi les corps rapatriés, ne figure dans aucun des échantillons relevés sur le site de la catastrophe. Emilia Flores était intégrée dans une unité masculine et était chargée d'établir le contact avec les femmes afghanes. Sa dernière mission consistait à favoriser la construction d'une école pour filles...

Toujours sans aucune nouvelle du lieutenant Flores, Gibbs se rend en Afghanistan en compagnie de Ziva, à l'endroit où elle a été vue pour la dernière fois. Ils parviennent à retrouver les deux fillettes qu'elle avait sauvées. Traumatisées, celles-ci assurent à Ziva que la jeune femme est toujours vivante mais retenue prisonnière. Une opération est montée pour donner l'assaut et tenter de la délivrer.

Le père de Tony DiNozzo est le principal suspect dans une affaire de meurtre. Il a en effet été retrouvé ivre mort dans une voiture de location, avec le cadavre d'un marine dans le coffre. Le vieil homme n'a aucun souvenir de ce qu'il a fait la veille... L'enquête est confiée à Gibbs et à son équipe. Tony est logiquement mis à l'écart, ce qui ne l'empêche pas de mener discrètement ses propres investigations.

Le soir de Noël, l'équipe est sur le pont pour enquêter sur le meurtre d'un capitaine de la Navy. Celui-ci protégeait une de ses amies et collègues, Emma Reynolds, une femme enceinte, en fin de grossesse, menacée par des mercenaires russes. Ces derniers veulent lui prendre son enfant car il est l'unique héritier d'un terrain très convoité en Afghanistan. Dans le même temps, Palmer fait visiter le NCIS à Ed, son futur beau-père.

L'officier James Barnsway, capitaine de frégate, a été abattu par un professionnel alors qu'il était au volant de sa voiture. Un témoin révèle aux enquêteurs du NCIS qu'une jeune blonde, qui n'était pas l'épouse du défunt, s'est enfuie du véhicule juste après l'accident. La surprise de Gibbs, DiNozzo et Ziva est totale quand ils découvrent l'identité de la mystérieuse inconnue...

Alors qu'ils visitent un loft, un couple de clients potentiels et un agent immobilier trouvent le corps d'une femme, abattue de trois balles. La défunte, Maya Burris, officier de la marine, effectuait des missions diplomatiques en Egypte et au Pakistan. Les agents du NCIS tentent de retrouver le meurtrier, tout en essayant de calmer le mari de la victime, un policier. Parallèlement, Ziva s'efforce d'éviter Ray, de retour en ville.

Un capitaine de la marine est retrouvé mort avec un étrange costume caché sous son uniforme. En enquêtant, l'équipe découvre qu'il était membre d'une société secrète de superhéros qui traquent, déguisés, des malfaiteurs. Dans cette affaire, Vance assigne à Tony une journaliste très informée sur le sujet avec laquelle il a passé un marché. L'agent a la surprise de constater qu'il s'agit de Wendy Miller, son ex-fiancée.

Gibbs et son équipe enquêtent sur la mort d'un réserviste de la marine, retrouvé pendu à son domicile. La piste du suicide est rapidement écartée lorsque le légiste découvre qu'on lui a tiré dessus. Son médecin, le docteur Cranston, révèle à l'équipe que le défunt était en instance de divorce mais qu'il n'était en aucun cas dépressif. Dans cette enquête, Gibbs doit collaborer avec Samantha Ryan, de la division de psychologie des opérations spéciales.

L'équipe enquête sur l'assassinat d'un militaire survenu alors qu'il s'apprêtait à divulguer des informations confidentielles sur un trafiquant d'armes international, Agah Bayar. Les enquêteurs découvrent que la victime était sur le point de vendre les plans d'un système de communication secret de l'armée américaine à Bayar. Parallèlement, un nouvel agent, Ned Dorneget, cherche à intégrer l'équipe de Gibbs.

Le NCIS met en scène le faux assassinat du secrétaire d'Etat de la marine pour trouver l'identité d'un maître chanteur qui s'en prend à la Navy depuis longtemps. Les choses se corsent lorsqu'un témoin-clé est assassiné. Les soupçons se portent sur Philip Wickes, un des amis du secrétaire d'Etat. Gibbs collabore avec Samantha Ryan dans cette affaire. L'équipe s'interroge sur la nature de leur relation…

L'équipe enquête sur la mort d'un quartier-maître de 23 ans, retrouvé poignardé dans le port de Baltimore alors qu'il était en permission. Le principal suspect se trouve être Michael Thomas, le beau-frère de Leon. Il prétend avoir trouvé la victime agonisant sur le sol, mais ne l'avoir jamais vue auparavant. Les enquêteurs découvrent que la petite amie du défunt entretient également une liaison avec un autre militaire.

Un lieutenant carbonisé tombe du ciel dans un parc après avoir été poignardé et qu'on lui ait tiré dessus. Ducky trouve sur lui une médaille d'aumônier de la marine couverte de traces de sang qui n'appartient pas à la victime. Les recherches révèlent que c'est celui d'une femme officier-aumônier, Theresa Wade, actuellement en mission humanitaire en Amérique du Sud sur un navire-hôpital. Gibbs envoie Ziva et McGee sur place pour tenter de la retrouver.

Un cadavre est découvert par les pompiers de Baltimore qui intervenaient dans un entrepôt en flammes. Le NCIS est alerté parce qu'un dossier confidentiel de la marine a été trouvé à proximité du corps. Sur place, Tony retrouve Jason King, un inspecteur qu'il a connu 20 ans plus tôt et qu'il ne semble guère apprécier. La victime travaillait sous couverture sur des systèmes d'armement pour la marine américaine.

Un nouvel incendie survenu sur un navire de la Marine et qui a fait plusieurs victimes confirme une faille dans le système de sécurité des installations de la Navy américaine dans le monde entier.Toute l'équipe est en alerte pour trouver quel pays ou quelle organisation terroriste est responsable de ces attaques. Ziva et DiNozzo rejoignent l'agent Burley en Italie où un explosif a été détecté sur un navire américain.

Toute l'équipe est mobilisée pour retrouver Harper Dearing, PDG d'une multinationale devenu terroriste, qui a fomenté les différentes attaques dont la Marine a été la cible. Gibbs va interroger celui qui le remplace à la tête de l'entreprise. Les choses se compliquent lorsqu'un micro miniature est trouvé dans une dent de l'agent Dorneget. Abby découvre que Dearing lui-même a déposé le brevet de ce type de mouchard.

Le directeur Leon Vance a été enlevé alors qu'il rentrait chez lui et toute l'équipe est à sa recherche. Il finit par se réveiller dans un cercueil à côté d'un cadavre calciné sans avoir aucun souvenir des événements. Gibbs continue ses recherches sur la vie et le tempérament de Harper Dearing pour mieux comprendre ses motivations. Parallèlement, le mariage de Jimmy approche et la présence des membres de l'équipe semble compromise.