Laura Rowans, femme d'un major détaché en Irak, tire deux balles à bout portant sur Jérémy Davidson qui s'est introduit chez elle pour la violer. Gisant sur son lit d'hôpital, l'intrus explique que c'est un jeu érotique, Laura l'aurait invité à réaliser un fantasme. Mariée depuis 4 ans à un mari absent qui lui a quand même appris à se servir d'une arme à feu, Laura s'ennuie, sans enfant, dans le village militaire de County Co. En perquisitionnant l'appartement de Jérémy, le NCIS découvre une correspondance électronique suggestive établie depuis quatre mois, ainsi qu'une photo de Laura plutôt compromettante. Gibbs tente alors un interrogatoire intimidant de Laura...

Une explosion se produit dans une crypte d'un cimetière militaire au cours des funérailles d'un marine. Lorsqu'Abby et Ducky affirment qu'ils ont identifié les restes de cinq corps, le NCIS commence à informer les familles des victimes en espérant trouver une connection entre ces personnes qui ne semblaient pourtant rien avoir en commun. La liste des suspects se rétrécie et même Gibbs est surpris du résultat final. Le Colonel Hollis Mann participe à l'enquête et Gibbs n'en semble pas particulièrement ravi. Au moins un des secrets de Tony est révélé durant cet épisode et Abby se confie à Gibbs au sujet d'un problème personnel...

Lors d’une autopsie sur un corps donné à la science, Ducky découvre que l’homme a été victime d’un meurtre par injection de mercure dans le cerveau. L’enquête permet d’identifier cet homme, un ancien détenu qui servait d’appât au FBI pour trouver « l’effaceur », un dangereux criminel fournissant de fausses identités aux terroristes du monde entier.

Le Caporal des Marines Damon Werth, décoré pour héroïsme en Irak, mais souffrant depuis de stress post-traumatique, s'évade de l'hôpital de Bethesda où il était enfermé, kidnappant en même temps un psychiatre. L'équipe du NCIS est chargée de l'enquête, ce qui s'avère vite dangereux lors d'une confrontation, car Werth se croit encore en Irak : son esprit est torturé et il a un comportement dangereux même s'il lui arrive d'avoir des moments de lucidité. Gibbs finit par penser que l'Irak pourrait ne pas être la cause de sa folie et l'équipe du NCIS découvre que le Marine est en réalité la victime d'une expérimentation secrète dont le but est de faire de lui un super soldat. Le super soldat réussit même à mettre toute l'équipe à terre -sauf Ziva. Abby et Ziva ont une petite altercation au sujet de Werth, que Ziva défend.

Le corps de "La Grenouille" a été retrouvé dans le port de Baltimore. Du coup, le NCIS fait l'objet d'une enquête menée par le FBI. Tandis que Gibbs est interrogé par l'agent Fornell, la directrice du NCIS Jenny Shepard, soupçonnée du meurtre, est relevée de ses fonctions. Leon Vance assure son remplacement.

Suite à une bagarre dans un bar, un marine est jeté dehors par le videur ainsi que deux de ses collègues. Ayant oublié sa carte de crédit à l'intérieur, il laisse ses amis seuls à l'entrée quelques minutes. A son retour, il les retrouve tous deux gravement blessés ; l'équipe du NCIS est ainsi appelée afin de mener l'enquête, qui les conduira par ailleurs dans la ville natale de Gibbs, ceci donnant lieu à des scènes...inédites.

Un corps vient d'être livré sur une base militaire de la marine. L'endroit abrite les fichiers stratégiques de Domino, un plan d'action top secret qui pourrait être utilisé en cas d'attaque au Moyen-Orient. Sur ordre de leur hiérarchie, les membres du NCIS sont chargés d'investir la base pour en vérifier la sécurité.

Les agents du NCIS enquêtent sur la mort d'un quartier-maître. Ils sont très surpris de retrouver la fiancée de la victime couverte de sang près de la scène de crime. Alors qu'il recueille des indices sur le lieu du drame, Ducky est agressé par une femme qui lui donne un coup de couteau. Il souffre d'une grave blessure à la main. La poursuite commence pour arrêter la criminelle. Il s'agit d'Ezmaray, une Afghane qui s'est engouffrée dans l'ambassade de son pays après avoir commis son acte insensé. Après l'avoir retrouvée, Gibbs découvre qu'elle accuse Ducky de crime de guerre. Il aurait commis ces atrocités lors de son service en Afghanistan dans les années 80...

A Chicago, un boxeur d'origine afro-américaine est retrouvé assassiné. La victime, la cinquantaine, était un ancien ami de Vance. Celui-ci refuse que Gibbs s'occupe de cette affaire et se rend à Chicago avec McGee et Ziva pour mener une enquête informelle. De vieux souvenirs refont surface de l'époque où il côtoyait un patron du crime organisé. Gibbs en profite pour creuser dans le passé de son patron.

Au cours d'une partie de poker qui se déroulait dans la villa du ministre de la Marine en compagnie de représentants des services secrets et de la défense américains, un agent fédéral de l'ICE est tué. Dans cette affaire, Gibbs et son équipe doivent collaborer avec l'agent Julia Foster-Yates, de l'ICE. Mais sa présence suscite des tensions. Très vite, l'enquête permet de remonter jusqu'à Michael Rivkin.

En Somalie, DiNozzo, prisonnier, est interrogé par le leader d'une organisation terroriste, Saleem Ulman. Ce dernier, conscient que l'agent du NCIS ne parlera que sous la contrainte, lui administre un sérum de vérité extrêmement puissant. DiNozzo, sous l'effet de la mixture, explique alors qui il est et les raisons de sa présence. A la recherche de sa collègue disparue Ziva, il est venu pour tuer Saleem.

Dans le port de San Diego, un voilier dans lequel gisent les cadavres de deux ex-militaires tués par balles, s'approche d'un navire de guerre de la Navy. L'esquif appartenait à Gibbs, avant qu'il ne l'offre à son mentor, Mike Franks. Alerté par l'armée, le NCIS se voit obligé de soupçonner Franks, qui, depuis, a disparu avec sa belle-fille et sa petite-fille et n'est plus reparu dans sa maison mexicaine.

Au cours de leur tournée d'inspection, deux rangers aperçoivent un corps calciné, vêtu d'une combinaison de pilote d'essai. Gibbs et ses adjoints découvrent, éparpillés autour du cadavre, les restes d'un appareil à propulsion individuelle ainsi que le cadavre d'un écureuil. Alors que l'enquête s'oriente vers les fabricants du prototype, Duck ne tarde pas à découvrir que le pilote avait été empoisonné.

Après une soirée très arrosée, Damon Werth, une vieille connaissance du service, se réveille dans une ruelle crasseuse. En essayant de réveiller son compagnon de beuverie, il se rend compte que celui-ci a eu la gorge tranchée. Il sollicite Gibbs afin d'élucider ce meurtre qui semble lié à un trafic de marchandises. Ils conviennent que la meilleure solution pour y parvenir est une mission d'infiltration.

Un quartier-maître est abattu d'une balle en pleine tête sur les quais après avoir entendu un appel au secours. Quand Gibbs et ses collègues inspectent les alentours, ils trouvent une autre victime sous l'eau. Il s'agit d'un mafieux repenti qui faisait partie du programme de protection des témoins. Après une discussion avec un correspondant du bureau fédéral, il apparaît qu'une taupe sévit au sein du FBI.

Au Mexique, où il tente de prévenir ses amis des dangers qui pèsent sur eux, Gibbs est enlevé par les hommes de main du cartel Reynosa. Paloma, qui dirige le cartel, lui annonce qu'elle souhaite se servir de lui en menaçant ceux qui lui sont chers. Il est relâché alors que son équipe est résolue à aller le récupérer sur place. Ziva, elle, annonce qu'elle a réussit les tests nécessaires à sa naturalisation.

Le NCIS questionne une femme qui a volé des informations sur des cartes de crédits. Il s'avère que parmi les numéros de cartes en sa possession, l'un d'eux est répertorié comme appartenant à un homme signalé comme terroriste. Le NCIS découvre alors que cette femme est un agent du Mossad. Gibbs enquête sur la mort de trois passeurs au large de la côte de Floride. Les contrebandiers semblent avoir un rapport avec la présence de cette femme ainsi que d'autres agents du Mossad qui sont aux Etats-Unis pour une conférence. Gibbs découvre que des terrorristes sont en ville pour assassiner le directeur du Mossad, David Eli, le père de Ziva...

Les agents du NCIS ont découvert le corrs de Amit Hadar, qui travaille pour le Mossad. Vance veut à tout prix que le directeur de l'agence d'espionage israéliene, Eli David, soit localisé. Vance et Eli David se connaissent bien. Ils se sont rencontré pour la première fois en 1991, lorsque Vance avait été envoyé en mision à Amsterdam pour saboter une opération russe. A l'époque, Eli David avait fourni à Vance des informations capitales, qui lui avaient permis d'éviter un piège. Aujourd'hui, Tony pense que McCallister, un ancien agent du NCIS, était à l'origine du traquenard organisé pour nuire à Vance. La cible russe de Vance était payée par McCallister...

Un des anciens membres de l'équipe du NCIS a été tué, sauvagement poignardé. Tout laisse à penser que l'homme détenait de précieuses informations qui devaient servir au cambriolage d'un entrepôt rempli de biens de valeur. L'enquête amène Gibbs à passer un accord avec une receleuse actuellement en détention. Parallèlement, EJ Barrett, une recrue, rejoint l'équipe. DiNozzo est immédiatement sensible à son charme.

De nouvelles preuves permettent de comprendre que le tueur de port-à-port a infiltré le NCIS. L'équipe de Gibbs et celle de l'agent Barett poursuivent leurs investigations et se lancent dans une course contre la montre pour l'arrêter. Tourmenté à l'idée d'être relégué au second plan dans cette affaire, Gibbs appelle son vieux complice Mike Franks à la rescousse. Ensemble, ils réexaminent l'historique de cette enquête.