Gibbs enquête sur l'assassinat d'un ancien officier du NCIS proche d'un groupe terroriste. Il découvre alors un lien entre cette affaire et le renvoi de sa précédente équipe. L'agent spécial se rend également compte que l'un des nouveaux membres sous ses ordres est un traître. Une véritable course contre la montre commence pour Gibbs.

Alors qu'il est affecté sur le porte-avions USS Seahawk, DiNozzo découvre que le suicide apparent d'un lieutenant de la Navy pourrait bien être lié à d'autres meurtres. Partis à Washington pour prévenir la femme du défunt, des membres du NCIS la retrouvent morte. Elle a été tuée peu de temps avant le départ de son mari.

Deux étudiants tombent, lors d'une balade à vélo dans un parc, sur le cadavre d'une femme, qui se révèle être un Officier de la Marine. C'est alors que Gibbs reçoit un appel d'une vieille connaissance avec qui il avait servi autrefois, et qui est devenu depuis Sénateur. L'enquête l'amène alors lui et son équipe dans les locaux du Sénat des Etats-Unis.

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.

Gibbs et son équipe enquêtent sur le meurtre de Rob Brewer, qui a été retrouvé torturé dans son garage. Les empreintes relevées sur les outils qui ont servi à son calvaire mènent les agents sur la piste de Jack Kale, l'ancien chef de section de Brewer. Lors de son interrogatoire, Kale révèle qu'il a été placé sous protection du FBI car il doit témoigner dans un important procès. De plus, Fornell fournit un alibi solide au suspect. Peu de temps après, Kale échappe à la surveillance de ses gardes du corps et se rend chez un autre soldat qui était autrefois sous ses ordres, Michael Strauss. C'est là qu'il est arrêté par Gibbs. Strauss vient d'être à son tour torturé puis assassiné...

Un cadavre est retrouvé dans une citerne d'une base de la marine. Dans sa bouche, une capsule contenant un papier sur lequel est inscrit une adresse web. Celle-ci mène à un second cadavre et un second papier. Au recto de ce second papier, une seconde adresse. Au verso un message: "Hello Agent Gibbs".

Dwayne Wilson, une nouvelle recrue, rejoint Gibbs pour l'aider à résoudre une affaire de vol dans une banque de Quantico. Au cours du braquage, l'agent de sécurité Rudy Vittorio a été abattu. Les agents estiment tout naturellement que Vittorio a été la victime malheureuse d'une attaque qui a mal tourné. Pourtant, lorsqu'ils découvrent un véhicule rempli de l'argent pris dans la banque, ils en arrivent à penser que le vol n'était pas le mobile du crime. Il semble que des gangsters aient procédé au braquage d'une bijouterie en utilisant la même méthode six mois plus tôt. L'un des voleurs n'était autre que Joey Vittorio, le fils de Rudy...

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.

L'agent Lee est utilisée comme appât pour intercepter le maître-chanteur qui détient sa fille et qui l'utilise pour avoir des informations militaires. Il s'agit d'un ancien collaborateur de la NSA déjà accusé d'avoir volé des données secrètes. Lors de l'interrogatoire, ce dernier confie au NCIS que sa femme a également été enlevée.

Greg Collins, un officier de la marine, meurt dans un accident après que sa voiture a quitté la route. Le corps couvert d'hématomes du quartier-maître ainsi que le témoignage de ses voisins, qui signalent un raffut de plus en plus courant chez Collins, amènent l'équipe du NCIS à conclure qu'il participait à des combats clandestins. Supposant qu'un de ses adversaires devait lui en vouloir, les enquêteurs interrogent Sam Bennett. Celui-ci, un ami proche de Greg Collins, promet de venger le disparu. Parallèlement, Tony participe à un concours d'Air Guitar sur Internet, ce qui lui attire les moqueries de Ziva...

C'est bientôt Noël, mais les agents du NCIS n'ont pas le temps de se reposer. Ils sont amenés à enquêter sur un double homicide. Des empreintes ont été retrouvées. Elles correspondent en tout point à celles de Ned Quinn, un vétéran du Viêtnam que Ducky avait déclaré mort vingt ans auparavant. Toute l'équipe met les bouchées doubles pour retrouver Quinn avant Noël. Gibbs pense toutefois que quelque chose se cache encore derrière cette affaire. Gibbs apprend que Quinn était revenu toxicomane du Viêtnam. Il aurait tenté de se faire passer pour mort en pensant faciliter la vie de son ex-femme et de sa fille, qui percevraient sa pension militaire...

Lors de la découverte du corps d'un marine, décédé depuis plusieurs années, Gibbs reconnaît le mode opératoire de Celia Roberts, une prostituée déjà incarcérée pour des crimes similaires. McGee est envoyée dans la prison où elle purge sa peine afin d'obtenir une confession. Sur place, il se retrouve pris dans une émeute, déclenchée après l'assassinat d'un employé et ses représailles immédiates sur les détenus. Les prisonnières exigent que l'agent du NCIS négocie en leur nom avec les autorités. Elles réclament l'ouverture d'une enquête concernant le meurtre de l'employé et souhaitent que le coupable soit clairement identifié...

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...

La Navy informe le NCIS de la disparition du capitaine Jennings, qui travaillait au laboratoire de recherches du contre-espionnage. Après avoir retrouvé son corps mutilé, les services secrets pensent que le gradé aurait pu trahir sa patrie. Gibbs, de son côté, oriente ses recherches sur la vie privée du capitaine.

Un première classe, marine depuis quatre mois, est découvert mort, criblé de balles et suspendu par les pieds sur le chantier d'un immeuble. Sur place, l'équipe découvre le numéro de matricule militaire de Gibbs écrit avec du sang sur le sol à côté du corps. De toute évidence, l'agent spécial est personnellement impliqué dans cette affaire, ce qui ne manque pas d'intriguer ses collaborateurs.

Un homme étranglé et poignardé en plein cœur est découvert enfermé dans un sac de marin, au fond d'une poubelle d'hôtel. C'est Renny Grant qui a jeté le corps, après s'être fait passer pour Tony DiNozzo auprès de la réceptionniste. Renny avait, il y a trois ans, été accusé de détournement de fonds. A l'époque, Tony, chargé de l'affaire, avait envoyé Renny en prison. Or, il semblerait que ce dernier était innocent.

L'agent spécial Jack Patterson, membre du NCIS, se fait descendre dans la rue alors qu'il venait de glisser un paquet dans une boîte aux lettres. Il était destiné à Abby, avec laquelle Patterson entretenait une relation téléphonique étrange, basée sur des échanges de données scientifiques. Le colis contient un tableau réalisé par une certaine Dina Risi. Gibbs et Tony partent à sa recherche.

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.

Un pistolet est trouvé sous le lit de Noah, 12 ans, fils d'un marine en mission. Après avoir effectué des tests, Abby déclare que l'arme a été utilisée récemment et fait le rapprochement avec une affaire de meurtre non élucidée. Noah affirme qu'il l'a trouvée dans un parc avec ses amis, Zane et Travis. Persuadé qu'il ment, Gibbs obtient des aveux de Zane : le pistolet était posé près d'un cadavre.

Gibbs est appelé sur un chantier par Trent Kort, un agent de la CIA infiltré auprès d'un trafiquant d'armes français. Sur place, deux gangsters à la solde de Jonathan Siravo, un baron du crime recherché depuis des années, se sont entre-tués. Perry Sterling, le comptable de Siravo, arrive peu après. Gibbs tente d'obtenir de lui des informations, en vain. Il décide alors de se servir de Sterling pour piéger Siravo.

Alors qu'elle sort de chez le dentiste, Abby est emmenée par des agents du FBI dans un endroit tenu secret. Elle est chargée de reprendre les travaux du docteur Phillip Heller, qui a disparu, et qui pilotait un projet spécial. Il s'agit de trouver un traitement pour sauver des soldats revenant d'Afghanistan et qui souffrent d'un mal inconnu. Très vite, Abby découvre que le projet cache autre chose.

Alors que l'équipe enquête sur le meurtre d'un première classe, Vance demande à Gibbs de se rendre à Los Angeles pour collaborer sur cette affaire avec l'OPS, le bureau du NCIS spécialisé dans les opérations sous couverture. Tout porte à croire que le meurtre est lié à un trafic d'armes. Arrivé sur place avec McGee, Gibbs retrouve Clara Macy, qu'il a connue dix-huit ans plus tôt et qui dirige désormais l'OPS.

G. Callen se fait passer pour Liam Coyle, un trafiquant d'armes, afin de tenter d'infiltrer la cellule terroriste. Il se retrouve face à Michael Rivkin, un membre du Mossad, les services secrets israéliens, que Ziva connaît intimement. Rivkin traque les mêmes terroristes que l'OPS, mais de manière plus expéditive : il en a déjà tué deux ! Clara Macy essaie d'obtenir son renvoi en Israël.

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.

Après l'affrontement musclé entre Tony et Michael Rivkin, Gibbs se rend dans l'appartement de Ziva avec McGee. Mais une bombe explose juste avant leur arrivée. Dans les décombres, ils découvrent un ordinateur portable qu'ils confient à Abby. Accompagnée de Gibbs, Tony et Vance, Ziva s'envole pour Tel Aviv et rencontre son père, le puissant chef du Mossad. Celui-ci décide d'interroger lui-même Tony.