La squadra si trova a fronteggiare un gruppo in possesso di una bomba di gas nervino. Per salvare due donne innocenti, Hannah, prende da sola la decisione di entrare in casa per portarle via ma il piano salta.

Un pilota della Marina assiste all'incidente di un aereo civile, precipitato in mare, che sembrerebbe essere stato minacciato da un oggetto non identificato.

Un oggetto appartenuto ad una ragazza uccisa quasi venti anni prima, viene ritrovato, a causa di un incendio, nel condotto d'aerazione di un appartamento di New York.

Un sottufficiale della Marina, Elena Martinez, scompare dopo aver preso un permesso temporaneo per partecipare alla festa di compleanno del padre. Il suo comandante s'insospettisce.

Mentre procedono le ricerche dell'assassino di Cade, all'N.C.I.S. si presenta un ufficiale dell'Aeronautica che sta lavorando ad un progetto top secret.

Pat Dolan viene rilasciato e si suicida. Chris incontra una ragazza, Sue-Ann, che dice di essere la fidanzata di Pat e con lei si reca al capanno dov'è stato trovato il corpo. Lì Chris viene ferito da qualcuno.

In seguito ad un'esplosione da gas naturale in un cinema, l'N.C.I.S. scopre che la compagnia del gas che serve tutta la città è stata hackerata e che, quindi, l'intera popolazione è a rischio...

Anada Benjawan, Ministro degli Interni della Thailandia, è a New Orleans per firmare un contratto con la Hydrowall System s, appaltatore di tecnologie contro le inondazioni.

Quando la sua difesa presenta un testimone con un alibi, Pride si rende conto che Barrett continua a sfuggirgli perché ha la certezza di riuscire sempre a cavarsela.

Eddie offre a Pride la possibilità di entrare nel suo covo, a patto che il resto dell'N.C.I.S. si ritiri dal cortile della fattoria. Pride accetta nel tentativo estremo di fargli rilasciare i bambini.

Mentre Pride è vittima di incubi ricorrenti nei quali vede un uomo che lo guarda senza parlare, Sebastian lavora sotto copertura in un gruppo di razzisti sospettati dell'omicidio di un meccanico della Marina.

Uno stimato neurologo greco, un'importante consulente finanziaria ed un tenente della Marina vengono uccisi. Tutti e tre sembrano avere in comune una donna che viene messa sotto stretta sorveglianza...

Un giudice del JAG, il capitano Garrett, viene brutalmente ucciso nella sua abitazione. I sospettati sono un ex detenuto, condannato anni prima da Garret, e Selina, la figlia del capitano. Intanto Sebastian partecipa all'addestramento della REACT.

Pride deve fare i conti con le sue notti insonni e decide di sottoporsi alla terapia psichedelica, su consiglio della dottoressa Tanaka. Nel frattempo, arriva in ufficio il nuovo agente che sostituisce Lasalle.

La giovane detenuta Etta Brinks riesce ad evadere dal carcere grazie all'aiuto di un uomo che si finge Lasalle. Quando l'N.C.I.S. trova morti la sorella di Etta ed il finto Lasalle, capisce che i casi sono collegati...

Le tensioni razziali aumentano a New Orleans quando un ufficiale bianco del NOPD spara a un ufficiale della Marina nero che credeva fosse armato nel mezzo di un'affollata festa di strada.

Quando un marinaio della Marina viene trovato morto, la squadra segue i movimenti sospetti di persone nella sua vita prima della sua morte. Inoltre, Hannah fa i conti con la relazione di sua figlia con la nuova fidanzata del suo ex, Veronica.

Quando Sebastian viene ferito mentre cerca senza successo di impedire un rapimento, l'NCIS corre per trovare la donna scomparsa e i suoi rapitori. Inoltre, la squadra dà una sbirciatina alla vita personale dell'agente Carter.

Il team indaga sulla morte di un microbiologo navale il cui hobby come "sfacciatore di miti" ha provocato la sua morte per mano di una leggendaria creatura bayou. Inoltre, l'agente Khoury conduce un'indagine sulle precedenti azioni del vicedirettore Van Cleef, che di recente l'ha retrocessa per accuse errate secondo cui ha mostrato scarso giudizio.