Gibbs, dopo essere stato gravemente ferito, lotta tra la vita e la morte mentre Tony e Joanna cercano di fermare il gruppo de "I Chiamati" guidato da Daniel Budd che, alla fine, viene ucciso da Tony in Cina.

Gibbs e il team collaborano con l'agente della DEA Luis Mitchell per un caso che coinvolge un trafficante di droga. Durante le indagini DiNozzo scopre però che esiste un particolare legame fra Gibbs e l'agente Mitchell. Mitchell è il figlio dell'agente di scorta che aveva in custodia Shannon e Kelly.

Una vecchia conoscenza del team, il Maggiore Sussex Newton, viene trovato morto, apparentemente per un incidente, mentre faceva jogging, ma Gibbs, che era stato contattato dal Maggiore il giorno prima, non crede che sia morto davvero per un incidente. Il team inizia dunque ad indagare e le indagini porteranno McGee e Bishop ad andare sotto copertura fingendosi una coppia di sposi.

Il Direttore Vance ritorna agente sul campo poiché la morte di un marine sembra essere legata al suo ultimo caso da agente speciale. Inoltre, il direttore sembra coinvolto in un secondo omicidio e il segretario della Marina comincia a pensare di porre fine all'incarico di Leon. Nel finale, il direttore Vance viene ferito e il segretario organizza una conferenza stampa (per comunicare il termine dell'incarico di Vance?). Quando Vance e Gibbs tornano dalla conferenza, DiNozzo e gli altri sono ansiosi di sapere cosa ha deciso il segretario. Vance comunica di essere ancora al comando dell'N.C.I.S.

Abby rimane intrappolata in un laboratorio farmaceutico in seguito ad un allarme (falso) di ebola. L'analista forense dovrà trovare il modo di chiedere aiuto a Gibbs e anche di sventare il piano di un gruppo di ladri, i veri responsabili dell'allarme.

Il corpo di un marine viene rinvenuto morto e la squadra indaga per capire se il morto sia stato vittima del pericoloso killer dei tre stati o di un emulatore.

La squadra indaga sull'omicidio di un marine che porterà a riaprire un caso di sedici anni prima. A collaborare con il team saranno Gli Sherlocks, un gruppo di investigatori segreti di cui fa parte anche il dottor Mallard.

Un gruppo di medici senza frontiere di istanza in Sudan viene attaccato. Vengono rinvenuti tre cadaveri e due medici risultano scomparsi. Il team inizia subito le indagini e Tony scopre che la moglie di uno dei medici rimasti coinvolti nell'attacco è Jeanne Benoit, sua ex fidanzata e figlia del trafficante d'armi noto come La Grenouille, sedotta da lui su ordine del precedente direttore dell'NCIS Jennifer Shepard. L'incontro è molto sconvolgente per Tony in quanto, durante la sua missione, si era fortemente innamorato della ragazza. Le indagini proseguono e McGee, DiNozzo e Jeanne stessa si recano in Sudan per salvare i medici scomparsi fra i quali si trova il marito di quest'ultima. Gibbs non segue la squadra in quanto viene colto da un malore improvviso che lo porta ad avere un confronto con il dottor Taft, l'uomo che gli ha salvato la vita dopo l'attentato. Gli agenti arrivati in Sudan seguono le tracce dei medici scomparsi, riuscendo infine a salvarli e a eliminare coloro che li avevano rapiti. Durante il viaggio di ritorno Tony e Jeanne si chiariscono definitivamente, chiudendo una ferita rimasta aperta per quasi dieci anni nel cuore di entrambi.

La squadra indaga sull'omicidio di una donna che viene portato da un marinaio alla corte marziale. Il caso porterà Tony al suo vecchio ufficio di Baltimora. Nel frattempo Bishop, vedendo il cambiamento del marito, dopo essere scampato all'attentato a Dubai, crede che sia indagato per una fuga di notizie all'interno dell'NSA. Jake confessa poi di essere cambiato perché ha una relazione. Bishop profondamente turbata e ferita decide di lasciare il team per fare ritorno a casa sua, in Oklahoma.

Una famiglia composta da persone che hanno dedicato la propria vita alla patria piano piano viene uccisa in azione. Uno dei 2 fratelli ancora in vita è ammalato di leucemia e per questo l'NCIS si mette in cerca del fratello scomparso dopo una lite in famiglia, perché si crede che sia l'unico donatore di midollo osseo compatibile. Bishop dall'Oklahoma cerca vari donatori possibili, trovandone uno. Questo donatore è un carcerato che è disposto a donare il midollo solo in cambio di un accordo. Il fratello viene trovato ma si scopre che non è compatibile, quindi Bishop si reca in prigione e dopo un lungo dircorso il detenuto si convince a donare il midollo. Bishop decide di rientrare nella squadra a tempo pieno.

Ducky deve confrontarsi con il suo passato e raccontare alla squadra di suo fratello, che fu portato via da lui dalla madre. Scoperto che in realtà era ancora vivo, a fine episodio Ducky trova suo fratello in una clinica per malati di alzhaimer.

Lo schianto di un aereo su cui viaggiava il fratello di Abby e da cui non sembra essere sopravvissuto nessuno, porterà il team di Gibbs ad unirsi a quello di Pride a New Orleans in un'indagine che presto diverrà più complicata del previsto,questa è la prima parte dell'episodio Cross-over con la serie Ncis New Orleans.

Il team indaga sulla morte di un marine che doveva rilasciare un'importante testimonianza quando scopre l'esistenza di un traffico di esseri umani.

Un uomo viene assassinato in una camera di decompressione e il suo corpo dovrà rimanere all'interno con i suoi colleghi (tutti sospettati) per dare il tempo all'NCIS di risolvere il caso, dall'esterno della camera.

Il team deve collaborare con l'FBI in seguito al rapimento della figlia di Sarah Porter, segretario della Marina.

Mentre Gibbs continua la sua terapia con il dottor Taft, il team si trova a dover risolvere un omicidio, legato al furto di una fornita scorta di fucili. Le indagini porteranno DiNozzo a incrociare nuovamente la sua strada con Jeanne Benoit, in quanto il principale sospettato è un uomo legato al trafficante La Grenouille, padre di Jeanne. Risolto il caso Tony cerca un chiarimento con la ragazza che gli chiede di uscire per sempre dalla sua vita, così da permetterle di essere felice.

Un caso che sembra risolversi troppo semplicemente, porterà ogni membro del team a ripensare ai dettagli della scena del crimine. E così ognuno passerà l'intera notte a lavorare per risolvere realmente il caso.

The NCIS team re-examines an ambush on a group of Special Ops snipers in Iraq after an American couple is attacked in the same area six months later. When Gibbs discovers he needs the account of the lone survivor, Marine Gunnery Sergeant Aaron Davis, he tries to connect with the wounded warrior who is being treated for PTSD at Walter Reed Medical Center.

Una misteriosa ragazza avvicina DiNozzo Senior credendo di essere sua figlia. Durante le indagini Tony scoprirà che la ragazza è una ex marine gravemente ammalata che non ha nulla a che fare con suo padre ma fra i due si instaurerà un rapporto di affetto.

Un serie di falsi Tony ricattano alcuni senatori. Il team dovrà far fronte a questa eccezionale realtà e DiNozzo cercherà di capire chi si cela dietro a questa farsa.

Quando una guardia carceraria britannica viene trovata morta in un container, la squadra lavora con Fornell per rintracciare i due prigionieri che hanno utilizzato il container per evadere, uno dei quali era un ex spia dell'MI6 arrestata da Tom Morrow. Nel frattempo, McGee e Bishop cercano di capire come Tony sia riuscito a comprare il suo appartamento. Gibbs e Fornell poi arrivano a casa di Morrow e lo trovano morto nel suo studio, dopo che qualcuno gli aveva sparato in testa. L'episodio termina con un cliffhanger.

Dopo la morte di Tom Morrow, il direttore Vance segue una pista avuta da DiNozzo, che è attualmente in Russia per rintracciare Jacob Scott. Vance e l'agente Fornell si recano a Londra per trovare Jessica Terdei, un'agente MI6 in pensione coinvolta nell'Operazione Juniper Strike. Nel frattempo, Gibbs e il resto della sua squadra indagano sull'effrazione avvenuto nella casa di un marine, che è stata fermata da suo figlio adolescente, ma in seguito sospettano che il figlio possa nascondere qualcos'altro. La First Lady Michelle Obama fa la sua apparizione a sostegno dell'organizzazione "Joining Forces". L'episodio si conclude con Fornell gravemente ferito dopo un agguato a casa di Gibbs.

The NCIS team, alongside the FBI and MI6, continue an international manhunt for an escaped British spy who has left one colleague fighting for their life in ICU.

Dopo l'attacco alla fattoria di Eli David e la presunta morte di Ziva David, Tony è lasciato a ripercorrere la propria vita, mentre il resto della squadra continuerà a dare la caccia al fuggitivo Trent Kort, responsabile del bombardamento sulla fattoria. Si dice che ci sia un sopravvissuto all'attacco, ma non si tratta di Ziva, forse deceduta. Tony, devastato, scopre di avere una figlia, Tali, avuta da Ziva. Alla fine la squadra riesce a fermare Kort, incluso Tony, e, tutti insieme, lo uccidono crivellandolo di colpi per vendicare Ziva. Tony, alla fine, lascia l'NCIS, poiché non può più permettersi di fare un lavoro che gli fa rischiare quotidianamente la vita ora che si è scoperto padre, per di più essendo, probabilmente l'unico genitore nella vita di Tali.