Gibbs se enfrenta a un caso en el que se ve obligado a implicarse emocionalmente. Se trata de la investigación de un crimen con el que se relaciona a un amigo de su hija, que fue asesinada años atrás. El trabajo y las averiguaciones sobre el estudio del caso le llevan a una terrible conclusión.

El equipo del NCIS instala un puesto de vigilancia en un almacén para atrapar al responsable del robo de un radar naval de alta tecnología. Sin embargo, en lugar de llevar a cabo su labor, los agentes terminan siendo testigos de un crimen. Por otro lado, Ducky esconde un secreto a sus compañeros.

Aparece el cuerpo sin vida de La Grenouille, el traficante de armas francés relacionado con la muerte del padre de la directora Shepard, y todo el equipo de NCIS al completo es objeto de las investigaciones del FBI. Jenny, la máxima responsable de los agentes y la que más razones habría tenido para acabar con la vida del traficante, es la principal sospechosa.

Con Leon Vance como nuevo director del NCIS y el antiguo equipo disuelto y enviado a diferentes misiones, Gibbs tiene que aprender a trabajar con los nuevos agentes que le han asignado. Entre ellos podría encontrarse un traidor, y descubrirle será la misión del director y de su equipo encubierto.

Un ataque a unos marines en un callejón se salida con la muerte de uno de los jóvenes y con otro de ellos herido de gravedad. Casualmente, el que consiguió salvar la vida en la pelea proviene del pueblo de Gibbs, donde se le había dado por muerto hacía 4 años. El agente viajará a su lugar de nacimiento, donde se reencontrará con familiares y conocidos y donde el caso se convertirá en algo personal.

Un matrimonio de ancianos es asesinado en su domicilio la víspera de Navidad. Un testigo vio a un hombre en la casa y su descripción coincide con la de un ex marine muerto hace 17 años. Ante esta sorpresa, Gibbs pide explicaciones a Ducky, ya que fue él quien firmó el certificado de defunción. El equipo deberá trabajar para localizar al ex marine que pudo fingir su propia muerte y descubrir quién mató a la pareja de ancianos.

Leon dirige una investigación de asesinato y pretende mantener a Gibbs al margen. Al parecer, la víctima era un ex marine amigo del director del NCIS con cuya hermana mantenía una buena relación. Sin embargo, no hay rastro de su vida en la Marina, lo que hace presagiar que Leon no ha dicho toda la verdad.

El asesinato de un marine que estaba bajo amenaza lleva a Gibbs y McGee a Los Angeles, donde la delegación de NCIS de esa ciudad trabajaba en el caso. Ambos equipos descubren que lo que parecía un ajuste de cuentas puede llevarles hasta el núcleo de una red de tráfico de armas. Mientras, Tony sospecha que una persona relacionada con la vida privada de Ziva puede tener algún vínculo con el caso que les ocupa.

Un agente es asesinado mientras los jefes de los principales organismos de seguridad estadounidense disputaban una partida de póker en casa del Secretario de Marina. El hecho de que se haya burlado la cadena de protección de la residencia lleva al NCIS y al FBI a investigar lo sucedido para esclarecer quién es el responsable del crimen y con qué interés allanaba la vivienda del mandatario. Quizás Ziva y su amante, el infiltrado de la Mossad, estén más relacionados con el caso de lo que el equipo de la agente cree.

Ziva pide permiso a Gibbs para volver al equipo, pero la decisión no estará e n sus manos sino en las del director Leon. En la oficina, DiNozzo y McGee trabajan en el caso de asesinato de un marine y sus dos amigos en una habitación de hotel. Todo apunta a que se trata de una venganza perpetrada por un ex compañero objeto de sus burlas.

Kelly, el barco de Gibbs, aparece en uno de los muelles de la Marina con dos cadáveres a bordo. El agente y el director Leon pronto relacionan esto con Mike Franks, el mentor de Jethro, en cuya casa se hallaba amarrado el barco. Al parecer, los dos soldados muertos habían cruzado la frontera de México buscando a Franks y a su familia. Todo el equipo tratará de averiguar hasta qué punto el amigo de su jefe está implicado en las dos muertes.

Ziva y DiNozzo viajan a Paris para proteger a la única testigo en un caso de estafa y sobornos a la Marina. Esta misión está relacionada con el asesinato de un marine, asunto que Gibbs y el resto del equipo investigan en Washington. La situación se complica cuando un pasajero del avión en el que trasladan a la mujer asesina a un policía de apoyo para su protección en pleno vuelo. Los dos agentes vigilarán cuidadosamente al pasaje en busca del culpable.

Norton, un marine recién jubilado, es asesinado en un muelle delante de su prometida. Cuando Gibbs llega al lugar, descubre que la mujer es Joann Fielding (Gena Rowlands), su ex suegra y madre de Shannon, la desaparecida esposa de Jethro. A medida que avanza la investigación del asesinato de Norton, Joann se convierte en la principal sospechosa del crimen, relacionado de cerca con el asesinato de Shannon. Gibbs revive el dolor que supuso para él la muerte de su esposa y acudirá a la abogada Margaret Allison Hart para que le preste su ayuda en este caso.

Un marine muere al volante de su coche por causas desconocidas. El equipo investiga lo sucedido entre sus personas más cercanas y descubre que era hermano de Dana Hutton, una conocida reportera que lleva desaparecida varios días. Su querido amigo Charlie Bascom, que era como un padre para ella, había muerto poco tiempo atrás convirtiendo a la periodista en su albacea. Entre los bienes, Dana debía encargarse de una antigua librería que esconde un importante secreto político. DiNozzo se obsesiona con la joven y pone todo de su parte para dar con ella y descubrir la verdad.

El NCIS investiga el secuestro de una joven hija de marines. El único familiar al que pueden informar del suceso es su abuelo y tutor, Nicolas Mason (William Devane), un hombre que siente adoración por ella. Cuando Mason comienza a actuar de manera extraña y oculta información sobre el rapto a los agentes, el equipo investigará en su pasado para averiguar qué puede estar escondiendo.

Clea Thorson, una brillante científica naval, muere en extrañas circunstancias. El NCIS, a cargo de la investigación del caso, descubre que había sufrido un lento envenenamiento y tenía el cuerpo marcado con símbolos químicos y escritura codificada. Abby se obsesiona con la víctima y se empeña en descifrar el significado de las marcas y encontrar al culpable de su muerte. Su obstinación preocupará a sus compañeros. Mientras, la nueva conquista de DiNozzo traerá problemas.

El equipo investiga la muerte del cabo de la marina Troy Armstrong, cuyo cuerpo es encontrado sin dientes ni dedos. Troy había engañado a su amante, Maxine Edwards, y ella estaba utilizando su tarjeta de crédito como venganza. Cuando el equipo comienza a investigar a la mujer, se dan cuenta de que el asesinato podría tener cierta relación con un videojuego. Maxine había llegado a la pantalla en la que se mostraban unos códigos relacionados con asesinatos, hecho que marca lo que ocurre después. Al final, Henry Martin descubre que en ese mismo juego, hay unos códigos que muestran cómo 'hackear' el Pentágono.

Gibbs cuenta con la ayuda de su buen amigo Mike Franks para ayudarles a él y a su equipo a localizar de puerto en puerto al asesino, cuando es evidente que un miembro del equipo del NCIS es su próximo objetivo.

Tony es encontrado con sangre en la escena de un crimen. Él no recuerda nada y se convierte en sospechoso del asesinato de un miembro del NCIS.

A medida que el equipo del NCIS prosigue con la búsqueda de un infante de marina desaparecido, Gibbs y Ziva viajarán al último sitio de Afganistán en el que estuvieron. Mientras tanto, Tony se abre ante los suyos y revela sus miedos más profundos. Igualmente, Gibbs se verá obligado a revivir algunos acontecimientos especiales de su pasado.

Durante una parada rutinaria para tomar el café de la mañana en el restaurante local, Gibbs se encuentra a sí mismo mirando a través del cañón de una pistola. Un cliente le estropea su desayuno cotidiano al apuntarle con su arma, lo que lleva a nuestro protagonista a un viaje al pasado, en el que se ve obligado a cuestionarse sus decisiones presentes y pasadas.

El equipo de NCIS se enfrenta a sorpresas que lo devastarán en el final de la novena temporada. El terrorismo amenaza con sacudir los cimientos de la Marina de EEUU, cuando el equipo no consigue dar con el paradero del nuevo terrorista más buscado. Esta circunstancia afectará a la boda de Jimmy Palmer. En el capítulo final Jamie Lee Curtis vuelve a ponerse en la piel de la doctora Samantha Ryan, Scott Wolf repite como Jonathan Cole y Richard Schiff encarna a Harper Dearing.

El último acto terrorista de Harper Dearing provocó una explosión en el cuartel general del NCIS, que dio lugar a una unión entre todas las agencias de seguridad para darle caza. El equipo de Jethro Gibbs, muy tocado física y emocional mente tras el atentado, se enfrenta al reto de encontrarlo. Además, Ducky sufre un paro cardiaco.

Cuando la tripulación de un helicóptero se encuentra a la deriva en el mar y es hallada más tarde en la costa, el equipo NCIS debe determinar las causas del accidente y localizar al piloto desaparecido.

El equipo investiga el asesinato de un hombre encontrado muerto por su esposa, la cual acababa de volver a la ciudad después de seis meses por temas laborales. Además, el padre de Tony viene de visita.

Tras la muerte de su mujer, el director Vance se topa con una información personal que le hace dudar de todo.

Un asesor legal viene asignado al equipo después de que el investigador del Departamento de Defensa ponga en duda su futuro en la agencia.

Una explosión en un evento en Washington, D.C. que se cobra una víctima conectada a la agencia cambia la perspectiva de Parsons sobre Gibbs y el equipo del NCIS. Mientras tanto, sin placas, DiNozzo y McGee investigan el caso como civiles, a pesar de las peligrosas conexiones del caso con cada uno de ellos.

Después de que Gibbs se vaya a mitad de un caso para ayudar a su padre a reconectar con un ex-piloto de guerra, Tony y McGee discuten sobre quién debería dirigir la investigación del equipo en el asesinato de un Sargento de Marines.

En un esfuerzo por encontrar al terrorista Parsa, Gibbs y el equipo del NCIS localizan a uno de sus compañeros utilizando las evidencias del ataque del drone. Mientras tanto, un McGee afectado emocionalmente lucha con las consecuencias del incidente.

El equipo busca a un asesino imitador en Nueva Orleans.

El equipo del NCIS investiga si un incendio en un barco de la Marina estadounidense que servía como recinto secreto de detención de terroristas encausados fue accidental o una distracción para una fuga. Mientras tanto, Gibbs viaja a casa de su infancia tras la noticia de la muerte de su padre.

Gibbs y McGee viajan a Rusia para escoltar a un ingeniero informático del NCIS que tiene conexión con una información clasificada. Pero su misión se ve comprometida y se ven obligados a salirse fuera de la red mientras son perseguidos por un grupo de mercenarios rusos. Mientras tanto, el equipo de D.C. utiliza frenéticamente cada contacto activo e inter-agencia que tienen en un intento de localizar a los miembros desaparecidos.

Después de investigar el asesinato de un sargento mayor retirado, el equipo del NCIS descubre una organización benéfica fraudulenta que se aprovecha de los que buscan personal militar desaparecido en combate. Mientras tanto, Bishop se lamenta por los resultados de la evaluación de su periodo de prueba, y Tony contempla la adopción de un gato callejero que le siguió a casa.

Gibbs lucha por su vida luego de que Luke le disparara a quemaropa. Mientras tanto, el agente Dinozzo junto a la madre de Dorneget, Johanna, van en busca del lider de "EL LLAMADO".

Insurgentes en Sudán atacan a un grupo de médicos voluntarios de los Estados Unidos, algunos fueron secuestrados y otros asesinados. En medio del ataque uno de los médicos pide ayuda a un agente de NCIS en Sudán y esta noticia llega hasta Washington donde el equipo de Gibbs toma el caso. NCIS decide salvar a los médicos secuestrados y en medio de todo esto, DiNozzo se reencuentra con su ex novia Jean Benoit, cuyo marido está entre los médicos quienes fueron atacados.

La agente Bishop cuestiona su trabajo en NSA luego de haber ido a Gitmo a buscar evidencia de un asesinato; el hermano de Bishop la visita por el Día de Acción de Gracias.

Una operación para atrapar a un empresario que está usando actos de terror para manipular el mercado de valores es comprometida, forzando al equipo de NCIS a buscar nuevas pistas.

La temporada termina con Gibbs, Mcgee y Torres viajando a un área remota de Paraguay controlada por un violento grupo de rebeldes. Alli intentarán encontrar a un SEAL de la marina desaparecido.

Dos meses después de que Gibbs y McGee fueran vistos por última vez luchando contra un efusivo grupo de rebeldes en una selva de Paraguay, el equipo de NCIS en DC busca incansablemente a sus colegas desaparecidos. Además, Vance y Torres son convocados a una audiencia en el Congreso sobre las consecuencias de la misión de Paraguay.

Sloane insiste en que un hombre que la retuvo como rehén y la torturó hace años en Afganistán, y que se creía que murió tras su rescate, está vivo y en DC. Además, Vance y Gibbs temen que Sloane esté dispuesta a arriesgar todo para destruir a este hombre.

Un mes después de que el director Vance fuera secuestrado, a Gibbs se le asigna el papel de director interino en su ausencia, mientras el equipo busca por todo el mundo su paradero.

McGee visita a regañadientes su escuela de secundaria tras descubrir que la contraseña utilizada en su ordenador de adolescente está vinculada con el asesinato de un contratista del departamento de defensa.

Siguiendo el rastro de un francotirador situado en un hospital naval, el equipo busca a un sospechoso que huyó del lugar. Además, un antiguo conocido de Sloane es un testigo clave al haber estado dentro del hospital.

El ex agente del FBI, Tobias Fornell, le suplica a Gibbs que haga lo que sea necesario para eliminar a los traficantes de la zona tras la hospitalización de su hija, Emily Fornell, por una sobredosis de opiáceos.

Con sus vidas en peligro, la investigación de Gibbs y Ziva toma un giro inesperado cuando se descubre un posible complot terrorista.

Después de que el hijo de un contramaestre es encontrado asesinado en su fiesta de "bienvenida a casa desde la prisión", la evidencia sugiere que el mejor amigo de toda la vida de Kasie, Dante Brown, es el sospechoso.