Un Marine di nome Thomas Hill collassa al suo party di ritorno, essendo stato drogato e pugnalato prima del suo arrivo. Mentre l'NCIS inizia a scavare nel suo passato, scoprono che la sorellastra adottata da Hill è una truffatrice di 27 anni che scappa dalle famiglie affidatarie poco prima del "diciottesimo" compleanno. Le prove conducono la squadra allo zio, colui che muove i fili, che ha ucciso Hill quando ha scoperto l'inganno. Nel frattempo, Tony inizia a sentirsi in colpa per le sue prepotenze durante i suoi anni scolastici, e chiede aiuto a McGee per fare ammenda. Però, alla fine dell'episodio, viene rivelato che era Tony la vittima dei bulli e non l'aguzzino.

All'NCIS viene assegnato il caso di Paul Booth, un tenente della Marina trovato con il biglietto da visita di McGee risalente ai suoi anni a Norfolk. Booth era un amico della nonna di McGee, Penelope Langston, che ha sviluppato un progetto di ricerca militare conosciuto come Principio ANAX prima dello scoppio della Guerra del Vietnam. Il Principio ANAX venne chiuso per quattro decadi prima di essere riavviato. Vengono usati bruchi nutriti in modo particolare per creare un morbo creato geneticamente. Il killer di Booth si scopre essere Max Ellswood, uno dei ricercatori originali del Principio ANAX, che ha ucciso il tenente quando questi ha deciso di rivelare il progetto alla stampa. Alla fine dell'episodio McGee e sua nonna parlano di quanto Gibbs ricordi loro il padre di McGee. McGee alla fine decide di chiamare suo padre con cui non parla da sette anni. Intanto, Jimmy Palmer è alle prese col suo imminente matrimonio.

Al team viene affidato il compito di proteggere un ufficiale della marina la cui vita è in pericolo. Nel frattempo, Abby si offre di donare un rene e rivela un segreto di famiglia.

L'NCIS, indagando su un caso d'omicidio con la Guardia Costiera, scopre una famiglia libanese intenzionata a chiedere asilo politico.

L'NCIS indaga su una strana morte avvenuta per sovraidratazione.

Quando il terzo marito di Diane Sterling scompare misteriosamente, la donna chiede aiuto ai suoi due ex-mariti, Gibbs e Fornell, per ritrovarlo.

L'NCIS indaga sullo schianto di un aereo di trasporto che riportava negli Stati Uniti tre corpi di militari trucidati. Le indagini si complicano dopo alcuni risultati inspiegabili del test del DNA. Si scoprirà di un'esplosione in una scuola provocata da una maestra che poi si impiccherà in cella.

Le indagini dell'NCIS sullo schianto aereo portano Gibbs e Ziva in Afghanistan. Dove devono ritrovare una marine che si scopre essere sopravvissuta all'esplosione con 2 bambine, che sono state catturate dagli insorti mentre cercavano di scappare.

Anthony DiNozzo Sr., tornato a Washington per affari, finisce con il ritrovarsi in stato di amnesia nella stessa auto di una vittima di omicidio.

Dopo l'assassinio di un capitano della marina, la squadra viene incaricata di trovare e proteggere la sua ragazza incinta. Nel frattempo Jimmy Palmer incontra il padre della fidanzata Breena.

Le indagini dell'omicidio di un Comandante della Marina conducono la squadra a E.J. Barrett.

L'NCIS indaga sulla morte di un tenente della Marina il cui corpo viene ritrovato in un cantiere. Intanto, Ray Cruz ritorna e chiede a Ziva di sposarlo.

Qualcuno spara a Gibbs mentre sta bevendo un caffè in un bar. Dopo lo sparo lui vede Mike Franks che gli fa fare "un viaggio nel passato" facendogli vedere come sarebbe andata la sua vita se avesse fatto azioni diverse, facendogli osservare le persone sia vive che morte, tra cui Kate, Shannon e Kelly.

La squadra dell'NCIS, dopo aver rinvenuto il corpo senza vita di un capitano della Marina, sotto la cui uniforme è nascosto un insolito costume, si trova ad indagare nel mondo di supereroi mascherati che, in un gruppo simile a vigilantes, ogni giorno combattono i criminali. Collabora nell'indagine della squadra dell'NCIS la giornalista Wendy, ex compagna dell'agente Anthony Dinozzo.

Un ex marine di alto livello muore in circostanze dubbie. Il fiuto di Gibbs lo spinge ad indagare più approfonditamente per scoprire la verità dietro quello che sembra un suicidio. Nelle indagini si ritrova faccia a faccia con la Dottoressa Samantha Ryan, membro della PsyOps Division. Intanto DiNozzo discute con McGee per le retribuzioni in busta paga.

L'assassinio di un marine mette a rischio una spedizione top-secret di un laboratorio di ricerca della Marina. L'assassino, catturato dalla Squadra dell'NCIS viene scoperto essere collegato ad un traffico internazionale di armi. Alla squadra intanto si aggiunge l'agente in prova Ned Dorneget che cerca di imbonirsi il “capo” Leroy Jethro Gibbs, sperando di riuscire ad unirsi in via definitiva alla squadra. Gibbs non pare però cedere alle lusinghe…

Ancora Gibbs e la Dottoressa Samantha Ryan collaborano alle indagini su una fuga di informazioni altamente segrete, probabilmente fuoriuscite dall'interno della Marina.

Un parente stretto del direttore dell'N.C.I.S. Vance viene sospettato per l'omicidio di un cadetto della marina. Toccherà all'agente speciale Leroy Jethro Gibbs e alla sua squadra dell'NCIS cercare di comprendere perché il congiunto del direttore sia coinvolto e per quale motivo.

Un marine viene assassinato e Tony DiNozzo e Ziva David ricevono l'incarico per le indagini. Durante le indagini vengono a collaborare con una vecchia amica di Ziva in Colombia. Con lei cercheranno un Tenente e un cappellano di Marina. Intanto il patologo praticante Jimmy Palmer decide chi sarà il testimone per il suo matrimonio, ovvero Abby.

In un magazzino della Marina scoppia un violento incendio ed il contenuto viene praticamente incenerito. Nell'ispezione dopo il rogo vengono rinvenuti nelle macerie alcuni documenti importanti della Marina, che risultavano essere scomparsi. La sicurezza nazionale è in pericolo. Mentre l'NCIS si avvale nelle indagini dell'aiuto della polizia di Baltimora, Tony incontra un ragazzo che aveva salvato da un incendio da ragazzo.

Ancora un incendio. Questa volta divampa a bordo di una nave della marina. Nel corso dell'indagine la squadra dell'NCIS acquisisce importantissime prove di un pericolo che potrebbe mettere a rischio l'intera Marina degli Stati Uniti. Intanto Tony DiNozzo e Ziva sono diretti in Italia a bordo di una nave della marina quando su di essa viene scoperta una bomba nascosta. Alla fine l'incendiario viene catturato e confessa il nome del mandante: Harper Dearing, un grosso industriale. Alla fine dell'episodio Gibbs appende la foto del ricercato alla parete dei criminali dell'NCIS, più precisamente sopra quella di Osama Bin Laden, e mobilita tutti gli agenti dell'NCIS per catturarlo.

La Marina degli Stati Uniti è nel mirino dei terroristi. Durante le indagini per scoprire quali segreti siano in loro possesso viene ritrovato nella bocca di un agente in prova, nascosto in un dente, un microcomponente in grado di rendere vulnerabili ad attacchi informatici i potenti computer della Marina. Jimmy Palmer, intanto, in procinto di sposarsi è alle prese con la festa per l'addio al celibato.

L'NCIS è ancora alle prese con le indagini per scoprire chi sono i terroristi che minacciano seriamente la Marina statunitense. La squadra dell'NCIS è ormai sulle tracce del capo dei terroristi, ma non riesce a localizzarlo. L'importanza delle indagini coinvolge tutti i componenti dell'NCIS e perciò viene suggerito a Jimmy Palmer di spostare la celebrazione delle sue nozze in un luogo più vicino. Durante il rito una potente bomba esplode di fronte al quartier generale dell'NCIS. Tutti vengono coinvolti dalla deflagrazione, tranne il dottor Mallard che apprende la notizia sulla spiaggia dove passeggiava dopo le nozze di Palmer. Sconvolto, viene colto da infarto e si accascia sulla sabbia.