Laissé pour mort à l'issue de la saison précédente, Gibbs se remet de ses blessures et laisse DiNozzo en découdre avec La Vocation, un groupe terroriste opérant en Chine. Le NCIS retrouve ses collègues de Louisiane dans un épisode crossover avec «NCIS : Nouvelle-Orléans». DiNozzo est de nouveau mis à rude épreuve dans une enquête internationale mettant en jeu le NCIS, le FBI et les services secrets britanniques. Ziva sera directement menacée, au grand dam de Tony.

Mentre la vita di Gibbs è appesa ad un filo, Tony riesce a localizzare e ad eliminare Daniel Budd, il leader de I Chiamati mettendo fine alla pericolosa organizzazione terrorista. Grazie all'intervento del chirurgo Cyril Taft, Gibbs riesce a sopravvivere e ritorna rapidamente operativo. Negli ultimi episodi l'NCIS si trova a far fronte ad un caso che coinvolge anche l'MI6 e a collaborare con l'agente Clayton Reeves. Nel frattempo il vecchio direttore dell'agenzia Tom Morrow viene assassinato e poco dopo anche Fornell viene gravemente ferito. Si scopre poi che la fattoria in Israele dove viveva Ziva è stata bombardata e che la donna è presumibilmente morta, ma che la figlia Tali è sopravvissuta. Tony scopre di essere il padre della ragazza. Alla fine il responsabile del bombardamento, l'agente corrotto della CIA Trent Kort viene ucciso e DiNozzo decide di lasciare la squadra per occuparsi della bambina.