L'agent DiNozzo enquête toujours au sujet de la taupe qui sévit au NCIS. Des investigations qui l'amènent à abattre un membre de l'agence. Parallèlement, le père de DiNozzo est arrêté au volant d'une voiture, qui contient un cadavre dans son coffre. Les familles des agents n'en finissent pas de leur poser des problèmes. C'est au tour du beau-frère du directeur Vance de se retrouver accusé de meurtre. Vance tente de l'innocenter et entre en conflit avec Gibbs.

Durante questa stagione Gibbs e i suoi uomini si trovano a fronteggiare Harper Dearing, un piromane in cerca di vendetta per la morte di suo figlio, morto a bordo di una nave a causa di una falla nella sicurezza. Nell'ultimo episodio la sede centrale di Washington viene fatta esplodere con Gibbs e tutti gli agenti al suo interno. Ducky, intento a passeggiare su una spiaggia, riceve la notizia e viene colpito da un improvviso malore.