Gibbs e McGee viaggiano in Russia per scortare un ingegnere informatico della NCIS, ma la loro missione viene compromessa e sono costretti a mollare la presa perché braccati da un gruppo di mercenari russi. Nel frattempo, la squadra a Washington DC utilizza ogni risorsa nel tentativo di individuarli.

Quando un tenente della Marina viene ucciso mentre si accinge a fare un incontro privato con il Presidente, il team NCIS deve stabilire se l'omicidio sia parte di un recente flusso di aggressioni nella zona o di un colpo mirato.

Quando un caso porta l'NCIS a una connessione con il migliore amico d'infanzia di Ducky, lui e l'agente speciale Bishop vanno a Londra per sentire i familiari e i colleghi di lavoro del suo amico. Lì, Ducky si ritrova a rievocare le scelte che ha fatto nel suo passato e il conseguente impatto che hanno avuto sulla sua vita adulta.

Un ricercatore della Marina viene assassinato e il sospettato è ricercato dal governo russo: il Segretario della Marina assegna la squadra NCIS a una task force congiunta contro il terrorismo.

L'agente speciale Gibbs e l'agente Borin trovano il cadavere di un uomo, membro dell'equipaggio di una nave che si trova a 60 miglia di distanza. Una volta a bordo della nave, Gibbs si rende conto che è stato dirottata dai pirati, ma non tutto è come sembra.

Il team NCIS deve stabilire se l'omicidio della moglie di un comandante della Marina è legato alla sua professione di terapeuta o se, visto che ha trovato il nome del comandante in un elenco di destinazione jihadista, si tratta di un atto di terrorismo.

Dopo aver indagato sull'omicidio di un sergente in pensione, il team NCIS scopre che un ente di beneficenza fraudolento va a caccia di coloro che cercano i militari dispersi. Nel frattempo, Tony contempla l'adozione di un gatto randagio che lo segue sempre fino a casa.

Mentre la squadra NCIS indaga sulla causa di un incidente che ha provocato la morte di un sottufficiale, Gibbs cerca un modo per aiutare un medico dell'ospedale in cui è stato in Afghanistan.

Bloccati all'aeroporto Dulles a causa del tempo inclemente, DiNozzo, Bishop e suo marito Jake lavorano a un caso che riguarda una minaccia terroristica elevata negli aeroporti del nord-est in occasione della Festa del Ringraziamento.

La squadra NCIS consulta tre cyber-terroristi che ha arrestato in seguito a un crash di Internet avvenuto la settimana prima di Natale. Inoltre, McGee riflette su come scrivere una lettera accorata al padre.

Il team NCIS deve indagare su una serie di scene del crimine che sembrano essere la copia di casi precedenti. Inoltre, due delle ex mogli di Gibbs, una delle quali la squadra ha già incontrato, si presenta sul luogo del delitto per discutere qualcosa di importante con lui.

La squadra NCIS cerca un terrorista dopo che una missione di salvataggio in Siria ha rivelato che un americano è stato coinvolto nella cattura di un assistente sociale. Nel frattempo, McGee e Bishop cercano di capire qualcosa sul comportamento insolito di DiNozzo.

Gibbs e la squadra indagano sulla morte di un tenente della Marina, il primo agente di servizio dichiaratosi gay ad aver ricevuto la Medaglia d'Onore. Nel frattempo, Palmer si prepara per la paternità.

DiNozzo ritorna all'accademia militare frequentata da adolescente dopo che un marine della scuola viene trovato assassinato mentre stringe la foto di uno studente. Inoltre, Bishop e suo marito invitano Gibbs e la squadra a una cena speciale.

La squadra NCIS sospetta che la nemesi di Gibbs sia l'autore dell'esplosione durante un vertice sul terrorismo, ma Gibbs decide di non prendere parte alle indagini, al fine di aiutare un Fornell sconvolto dall'assassinio della moglie.

Quando viene trovata una vittima di omicidio che viveva sotto un nome falso, riemerge dal passato un'identità segreta creata per uno dei casi di infiltrati di Gibbs risalente a quasi 20 anni fa.

Le prove in un caso di omicidio rivelano alla squadra NCIS che un raro dipinto concesso in prestito era stato scambiato per un falso, spingendo DiNozzo a condividere la sua conoscenza e i suoi contatti del mondo dell'arte con la squadra.

Quando nella casa di un Marine viene trovato il cadavere di un ladro, l'NCIS scopre le tracce di un gruppo terroristico.

L'omicidio di un sottufficiale in un aeroporto vecchio di 40 anni riapre un caso assegnato a Gibbs e DiNozzo due anni fa. Inoltre, McGee è geloso per non essere stato precedentemente informato sul caso.

Dopo aver scoperto che l'arma del delitto in un caso NCIS è stata acquistata per la controversa operazione ATF "Operation Fast and Furious",DiNozzo collabora con la sua compagnia, l'agente speciale ATF Zoé Keates. Inoltre, Anthony e DiNozzo Sr. tornano in città.

Dopo che l'uccisione di un marine a Washington DC viene collegata a un gruppo terroristico che tiene prigioniero un altro Marine all'estero, Gibbs e Bishop vanno in Afghanistan. Inoltre, DiNozzo è sconvolto dal fatto che McGee sia stato scelto come nuovo volto di NCIS per tutti gli opuscoli di reclutamento.

Quando viene assassinato un guardiamarina della Marina che ha lavorato presso l'Ufficio del Naval Intelligence, l'agente speciale Ned Dorneget delle operazioni informatiche NCIS aiuta la squadra. Inoltre, la squadra scopre che Jake e Gibbs sono diventati buoni amici.

Il caso della cyber NCIS si trasforma in uno sforzo globale quando le prove confermano l'acquisto di S-bombe dal mercato nero da parte di "The Calling", un gruppo terrorista internazionale che recluta bambini attraverso Internet.