Tony risulta irreperibile così la squadra inizia le ricerche: riescono a trovare la sua auto e a visualizzarla tramite le telecamere del traffico. Appena visualizzata, però, l'auto esplode. Sono tutti molto scossi, ma sperano che non si trattasse di Tony, mentre Ziva, sicura, è inconsolabile. Poco dopo, grazie all'autopsia di Ducky del corpo rinvenuto all'interno dell'auto carbonizzata, la squadra avrà il sollievo di scoprire che Tony non era in quell'auto e che invece si trovava nella limousine di La Grenouille con lui e la figlia Jeanne. Si capisce quindi che Tony aveva frequentato Jeanne solo per avvicinarsi a La Grenouille, sotto gli ordini del Direttore, tutto all'oscuro di Gibbs che per questo motivo va su tutte le furie. La Grenouille va quindi a trovare il Direttore a casa sua per costituirsi, poiché teme che i suoi nemici stiano per ucciderlo, ma il Direttore all'inizio lo rifiuta, condannandolo così alla morte. Quando Gibbs e la squadra vanno a prelevarlo dal suo yacht non lo trovano. Mentre la telecamera inquadra la squadra che va via, sullo specchio d'acqua si vede il corpo di La Grenouille con un foro di proiettile alla testa.

Si pensa che un agente sia morto in un incidente d'auto, fino a che le prove sulla scena del crimine non provano il contrario. L'agente non era morto durante l'incidente, e non era stato ucciso perché non era l'autista della macchina danneggiata. Si trova un altro corpo e Ducky conduce l'autopsia e scopre che è stata uccisa, ma poco prima di morire aveva dato alla luce un bambino, conducendo la squadra a pensare che il killer abbia preso il bambino. Si scopre, invece, che non è così facile come sembra. Alla fine, la squadra è a casa della famiglia nuovamente riunita. Tony va vicino al caminetto e si siede, da solo, guardando la coppia felice con il loro bambino, e Gibbs, McGee e Ziva rilassati e sorridenti. Tony tira fuori una busta dalla giacca, la apre e legge "Tony, non tornerò indietro. Devi scegliere. Jeanne". Ha un flashback dove vede lui e Jeanne insieme, felici, in un letto. Tony guarda verso Ducky e la coppia con il bambino e poi di nuovo verso Gibbs, McGee e Ziva. Butta la lettera nel fuoco e cammina verso il team. Ziva e McGee guardano verso Tony, mentre Gibbs guarda verso la lettera che brucia.

Il capitano dei Marines Trent Reynolds viene ritrovato ucciso, seduto alla sua scrivania nel suo ufficio. A causa dei segretissimi documenti a cui aveva accesso, Gibbs dovrà essere aiutato nelle indagini dal colonnello Hollis Mann, donna che tuttora Jethro frequenta, e rimarrà turbato quando scoprirà che uno dei testimoni del delitto è la sua ex moglie Stephanie.

Ducky scopre che il cadavere che sta analizzando per una ricerca è in realtà la vittima di un assassinio, quindi il team si mette al lavoro. La vittima era un pericoloso ricercato dell'FBI chiamato "L'eliminatore".

Michael Arnett, un tenente della marina, minaccia il suicidio dal tetto d'un edificio: la squadra di Gibbs lo persuade a scendere ma proprio quando il suicida si convince un cecchino lo uccide. Alle indagini collaborerà Nikki Jardine, una giovane analista appositamente arrivata all'NCIS.

La squadra di Gibbs è chiamata ad investigare su una morte avvenuta sulla nave della Marina Statunitense Chimera, che si occupa di ricerche top-secret navigando in mezzo all'oceano. Dopo l'arrivo sulla nave, scoprono il corpo abbandonato di uno scienziato morto di febbre emorragica. Sospettano di non essere soli sulla nave. La loro indagine è resa ancor più complicata dalla reticenza della Marina, di rilasciargli informazioni sulle ricerche che si svolgevano sulla Chimera. Comunque, scoprono velocemente che a bordo della Chimera non si svolgono ricerche, bensì la nave trasporta missili nucleari da guerra sottratti all'esercito russo. Alcuni mafiosi russi cercheranno di salire a bordo della Chimera e di appropriarsi dei missili.

Maddie, la migliore amica di Kelly la figlia di Gibbs avuta dal primo matrimonio e poi uccisa, viene rapita. L'obiettivo dei rapitori è ottenere una grossa somma di denaro arrivato illecitamente dall'Iraq: il team dovrà lavorare per salvare l'ostaggio. Gibbs è molto coinvolto emotivamente poiché salvare Maddie, per lui, equivale a salvare sua figlia.

Un ammiraglio viene ucciso su un taxi, insieme all'autista che lo guidava. All'inizio il team di Gibbs pensa che l'obiettivo fosse l'ammiraglio, ma quando si scopre che l'autista era un rifugiato politico gli agenti cambiano idea. La vicenda si complica quando la squadra capisce che in realtà la vittima designata era una terza persona.

Un gruppo di boy scout va in visita alla sede dell'NCIS. Giunti nel laboratorio scientifico, Abby invita un bambino a provare il lettore di impronte digitali e, a sorpresa, il sistema le riconosce. Appartengono a Carson Taylor, il figlio di un uomo scomparso da molto tempo...

Il team dell'NCIS paga un caro prezzo, quando tenta di fermare un Marine che crede di essere ancora in Iraq. Dopo un violento confronto, la squadra si accorge che il Marine è soggetto ad un esperimento segreto. Le cose diventano ancora più complicate quando un assistente di un senatore comincia ad interferire con le indagini, dato che il Marine doveva essere decorato dal senatore e un incidente potrebbe risultare negativo per la sua immagine. Si scoprirà poi, che le cose sono ancora più complicate e il Marine non può essere decorato, ma Gibbs, che prova simpatia per il ragazzo, gli darà in regalo la propria medaglia.

Un marine di religione musulmana viene ucciso in una moschea ed è compito del team di Gibbs trovare il colpevole. Ducky però rifiuta di eseguire l'autopsia per rispettare le credenze religiose della famiglia. Nel frattempo McGee mentre sta per piazzare una cimice all'interno della moschea, scopre che ce n'è una già installata dall'FBI.

Un sofisticatissimo radar top secret della marina viene rubato, il team di Gibbs per scoprire i colpevoli sorveglierà un magazzino per diversi giorni stabilendo dei turni, ma durante uno di questi, gli agenti speciali NCIS assisteranno all'omicidio di un broker. Alla fine dell'episodio, Ducky fa una misteriosa e inquietante rivelazione sulla salute del Direttore Shepard.

Durante un'operazione il team di Gibbs trova un agente dell'antidroga ucciso, apparentemente sbranato da un cane. Abby però si impegnerà al massimo per cercare di dimostrare che non è stato il cane ad uccidere il militare.

Il cadavere di La Grenouille, viene ritrovato solo adesso nel porto. Si tratta praticamente della continuazione del primo episodio della stagione: tutto il team viene messo sotto inchiesta. Il direttore viene sospeso e l'indagine interna viene affidata all'agente Fornell dell'FBI. Per primo viene indagato Tony, dopo che Jeanne afferma di averlo visto sul molo dove è stato ucciso Benoit, nel frattempo Gibbs non si arrende ed entra nel database della CIA per continuare le indagini per conto suo. Nella sua cantina lavorano McGee, Ziva e Ducky, che svolge l'autopsia sulle foto del cadavere di La Grenouille. Tony rimane indagato fino a che Jeanne non ammette di non aver visto assolutamente Tony e di non essere neppure andata al molo. Alla fine Gibbs capisce che ad uccidere La Grenouille è stata Jeanne, il direttore, ma le indagini ufficiale non riescono a capire questo e il direttore riacquista il suo posto nell'N.C.I.S.

Un ufficiale dei marines viene ucciso a Baghdad, in Iraq, durante un attacco terroristico a colpi di mortaio. Quando il suo corpo viene riportato a Washington, l'autopsia di Ducky rivela che l'ufficiale non è morto per i colpi di mortaio, si tratta invece di omicidio: Tony e Nikky vengono mandati in Iraq per indagare, coadiuvati da Gibbs e dal resto del team da Washington.

Il team è alla ricerca di un serial killer e Ziva fa da esca. Il piano però prende una brutta piega quando il sospettato capisce che Ziva è un'agente federale e tenta di ucciderla: Ziva si salverà per miracolo uccidendo l'uomo. Ma l'indagine non è finita, perché il serial killer aveva un emulatore.

Un operaio viene ucciso in un cantiere, il team rilevando le prove ne tralascia una sul corpo della vittima: un passaporto. Il passaporto viene ritrovato da Palmer, ma se lo lascia trafugare sotto il naso dal probabile assassino, che era ancora presente sulla scena del crimine. Il signor Palmer insegue il probabile assassino che, però, ad un certo punto, si gira e gli spara. Palmer schiva il colpo ma entra in stato di shock, tanto che non riesce a ricordarsi né il volto di chi gli ha sparato né il tipo di passaporto che ha visto. Nel finale, quando trovano l'assassino, Palmer lo riconosce e gli va contro con la macchina, mentre Ziva, Tony, Gibbs e Tim arrivano e lo catturano.

Il direttore Shepard scopre che la vittima designata di una missione segreta a Parigi, compiuta in passato da lei stessa insieme a Gibbs e un terzo agente speciale (già rinvenuto morto), sta cercando di uccidere i 3 componenti di quella missione. Ma non informa Gibbs e decide di risolvere la questione con l'aiuto dell'ex caposquadra di Gibbs, Mike Franks. Ma entrambi sono vittima di un agguato in cui proprio il direttore Shepard rimarrà uccisa. Proprio in quel giorno il direttore era sotto scorta di Tony e Ziva che però lei aveva congedati per "risolvere la questione" da sola, tenendoli all'oscuro.

Tutto il team di Gibbs scopre la vicenda che ha portato all'uccisione del direttore Shepard e si mette al lavoro per trovare l'assassino, nel frattempo Tony e Ziva si sentono responsabili. Franks, uccide la mandante degli omicidi salvando la vita Gibbs che aveva fatto da esca attirandola nella casa della Shepard; entrambi decideranno di far sparire il corpo ed eliminare tutte le prove bruciando la casa, facendo così credere, grazie anche alla complicità di Vance, ai media che Jenny Shepard è morta per un incidente domestico. Il vicedirettore Vance prende il posto di direttore capo dell'NCIS e decide di insabbiare tutto. Vance scioglie la squadra: Ziva dovrà tornare in Israele, McGee viene assegnato all'unità crimini informatici, mentre Tony sarà agente di bordo sulla nave Ronald Reagan. A Gibbs viene assegnata una nuova squadra composta da altri tre elementi.