Tony, ancora sotto copertura, incontra il padre di Jeanne, La Grenouille, che però conosce la sua vera identità. La squadra NCIS arriva dunque ad un ultimo, drammatico scontro con La Grenouille. Nel frattempo, il direttore Shepard rivela a Gibbs lo scopo della missione di Tony.

Nel corso di una autopsia, Ducky fa una scoperta che trasforma un caso di omicidio in una ricerca di un bambino scomparso. Intanto Tony cerca di chiarire i suoi sentimenti verso Jeanne.

Il colonnello Mann si unisce a Gibbs nell'indagine sull'omicidio di una capitano di Marina che aveva accesso anche ai documenti più segreti. Le cose si mettono male per Gibbs, quando scopre che una delle testimoni è la sua ex moglie.

Quando Ducky realizza che uno dei cadaveri di cui si sta occupando è in realtà vittima di un assassinio, la squadra dell'Ncis si mette sulle tracce del passato della vittima e scopre che...

La squadra NCIS viene chiamata per far desistere un ufficiale della marina dal commettere un suicidio lasciandosi cadere da un cornicione. Il suicidio in seguito diventa un omicidio, e la squadra dovrà cercare di scoprire l'identità dell'assassino.

Mentre sta investigando su una morte misteriosa avvenuta all'interno di una nave su cui si effettuavano esperimenti top secret della marina, la squadra NCIS si imbatte in un'imbarcazione abbandonata che nasconde un segreto molto pericoloso.

Gibbs si ritrova in una situazione di sentimenti contrastanti quando accetta di investigare su un crimine connesso ad un'amica di sua figlia, che era stata uccisa anni prima. Le investigazioni portano poi ad una scioccante rivelazione.

La squadra NCIS investiga su un ammiraglio della marina. Le indagini prendono una svolta inaspettata quando una donna, un rifugiato politico, torna a casa in cerca di suo marito.

La squadra NCIS deve tenere d'occhio il figlio di 9 anni di un uomo scomparso, che è tra l'altro collegato ad un vecchio caso di omicidio. Le investigazioni della squadra portano ad un luogo selvaggio, dove viene scoperto uno scioccante segreto sul passato dell'uomo.

La squadra NCIS deve rintracciare e fermare un violento marine che sta attraversando una forte depressione e pensa di essere ancora in Iraq. Le investigazioni portano a scoprire che l'uomo è stato oggetto di un esperimento segreto dell'esercito.

Un giovane marine musulmano viene assassinato nei pressi di una Moschea. Ducky si rifiuta di operare l'autopsia a causa delle sue credenze religiose. La squadra NCIS cerca di parlare con il padre della vittima e manda McGee a piazzare una cimice nella Moschea. Si scopre però che l'FBI la teneva già sotto controllo.

La squadra NCIS va all'assalto di una postazione per catturare un sospetto accusato di aver rubato un radar della marina. La squadra però finisce con l'essere testimone di un omicidio. Nel frattempo, Ducky nasconde un segreto al resto della squadra.

Il proprietario di un cane viene ritrovato morto, e la squadra NCIS deve capire se l'omicidio sia stato commesso dal suo stesso cane o meno. Abby decide di combattere per la vita del cane seguendo il suo istinto e credendo nella sua innocenza. Nel frattempo, Gibbs scopre il segreto di Jenny.

Ricompare il cadavere La Grenouille e la squadra NCIS finisce sotto l'investigazione dell'FBI: Jenny è la prima sospettata per l'omicidio. La squadra si riunisce in segreto a casa di Gibbs e inizia un'investigazione per conto proprio. Nel frattempo, ricompare Jeanne che accusa Tony per l'omicidio.

Due membri della squadra del NCIS vengono inviati a Baghdad, in Iraq, per investigare sul caso di un'uccisione da mortaio che potrebbe implicare un assassinio.

Mentre lavora ad un caso sotto copertura, Ziva si mette in pericolo di vita quando un serial killer del quale stava studiando le mosse comincia a diventare sospettoso di lei.

La vita di Palmer si ritrova improvvisamente in pericolo quando diventa il principale obiettivo di uno sconosciuto assassino, che però solo lui può riconoscere.

Prima parte del finale di stagione di due ore. Un ex agente del NCIS viene trovato morto, e la caccia al killer si rivela presto pericolosissima.