Gibbs e McGee si recano in Russia per scortare in patria Kevin Hussein, esperto informatico del NCIS già visto nella decima stagione, ma il loro elicottero viene colpito da un missile terra-aria. Il resto della squadra, al quartier generale, scopre che Hussein ha impiantato una scheda di memoria nel corpo dello zio, assassinato con due colpi di arma da fuoco, contenente un prototipo di virus molto potente e pericoloso, mandando il tutto negli USA. Recuperata la scheda dal corpo, Abby attiva involontariamente il virus che si diffonde in tutta la rete informatica del quartier generale. Fortunatamente Gibbs, McGee e Hussein, inseguiti da coloro che li avevano abbattuti, vengono recuperati vicino al confine della Finlandia e, nel frattempo, il virus viene fermato. Il leader del commando che ha cercato di abbattere l'elicottero sopravvive allo scontro a fuoco che precede il salvataggio.

Un turista, assieme alla figlia, trova un marine accoltellato a morte nel parco di Washington. La squadra di Gibbs pensa che sia una rapina finita in tragedia, ma successivamente scoprono che dietro ci sono degli interessi economici da parte di un responsabile di una società informatica.

Un'auto viene centrata in pieno da un razzo. La squadra di Gibbs viene chiamata ad investigare, poiché sul luogo dell'esplosione viene trovata una cassetta con dei documenti riguardanti le strane morti di alcuni marines. Si scopre, anche, che un vecchio amico del dottor Mallard sembra implicato nella faccenda. Alla fine il team risolve il caso, smantellando un'organizzazione albanese dedicata al contrabbando di armi.

La squadra di Gibbs e l'FBI indagano sull'omicidio di una ricercatrice americana ed i sospetti ricadono sul governo russo che nutriva interessi per la ricercatrice. Le indagini proseguono e la task force scoprono che la presunta assassina, una cittadina russa, anch'essa braccata dalla vera omicida, stava cercando di avvertire la ricercatrice americana del pericolo imminente. Grazie ad uno stratagemma riescono ad evitare che la vera assassina, colpisca di nuovo, ma quest'ultima si suicida con una garotta, decapitandosi.

L'agente Bishop è alle prese con l'addestramento su una nave della guardia costiera, quando Gibbs intravede un corpo in mare. Si scopre che si tratta di un criminale che due anni prima aveva assalito il comandante della portacontainer "Il San Dominik". Gibbs, assieme ad un sottufficiale della guardia costiera, salgono sulla portacontainer. Ben presto scoprono che sono alle prese con un sequestro, architettato dal comandante della nave, assieme ai banditi, per cercare di mettere le mani su dei soldi, appartenenti ad una compagnia. Gibbs riesce a sventare il tutto, facendo arrestare i criminali e disinnescando una bomba. DiNozzo arresta il comandante in procinto di fuggire con i soldi.

Viene trovato il cadavere di un veterano della guerra in Vietnam, in mano ha una piastrina di un marine morto in guerra. La piastrina sembra vera ma non è così infatti si scopre un giro di truffe legato a piastrine della guerra in Vietnam. Durante questo caso oltre a scoprire l'assassino si lavora anche per trovare i resti del marine deceduto in guerra e amico del defunto. Il colpevole è il proprietario di una agenzia di viaggi, infatti il defunto si era accorto che il gruppo sanguigno era sbagliato e voleva dirlo alla polizia. Il colpevole era scappato in Vietnam quindi anche Gibbs e Tony vanno lì, qui grazie a un particolare trovato da Bishop si risale ad un vietnamita il quale era stato aiutato dalla squadra del disperso a seppellire i suoi genitori, e quando il marine era morto egli aveva preso il corpo e lo aveva seppellito vicino ai suoi genitori. Bishop è alle prese con Gibbs infatti lei si è accorta che da quando è arrivata la tratta con i guanti: a fine puntata Gibbs le spiega che Ziva e Kate secondo lui se ne sono andate per via dei suoi modi rudi e non vuole che accada anche con lei. La puntata si conclude con Gibbs che dice: "Va bene si torna al vecchio metodo: Bishop il pavimento serve per camminare vai a sederti sulla tua sedia". Questo perché Bishop era seduta come sempre sul pavimento.

Gibbs cerca di aiutare un ex infermiera dei marines, che rischia la galera, dopo che questa era riuscita a salvare due persone dopo un incidente, nonostante non avesse il patentino per prestare soccorso.

Tony, Bishop e suo marito Jake rimangono bloccati in aeroporto a causa delle avverse condizioni climatiche. I tre dovranno unire le forze con i colleghi rimasti a Washington per sventare una minaccia terroristica che sembra nascere proprio nell'aeroporto.

Quando Washington si trova senza connessione a Internet poco prima di Natale l'NCIS deve chiedere consulenza a tre hacker arrestati in passato dalla stessa squadra. Nel frattempo McGee scrive una lettera al padre malato raccontandogli il caso e paragonando le sue regole a quelle di Gibbs che vengono raccontate grazie a molti flashback. Nelle ultime scene si vede McGee che nella casa di famiglia legge la lettera a suo padre morto nella bara.

Sergei Mishnev il mercenario russo del primo episodio sta riproducendo scene del crimine di persone molto care a Gibbs quali Jenny Shepard, Kate Todd e Mike Franks. L'episodio inizia con una sparatoria in una tavola calda. Durante la visita sulla scena del crimine arrivano le ex mogli di Gibbs numero 1 e 2 (la prima moglie, Shannon era stata uccisa da un narco-trafficante messicano prima che Gibbs entrasse nell'NCIS), ma non si capisce bene perché. All'inizio la squadra non si accorge di nulla ma dopo la seconda vittima, un normale civile ucciso come Mike Franks capiscono che Mishnev sta riproducendo le morti di persone molto affezionate a Gibbs. L'ultima vittima dell'episodio è Diane, ex moglie numero 1 uccisa da Mishnev come Kate Todd. Grazie al virus informatico che Abby e McGee mettono in rete riescono a localizzare Mishnev ma Gibbs prima di entrare rivede in alcuni flashback Diane e non aspetta la squadra per intervenire: entra in questo appartamento, spara a tutti tranne che a Mishnev poi si reca da lui lo prende a schiaffi e mentre lo sta strozzando arriva uno da dietro che lo colpisce e Gibbs cade a terra svenuto. L'episodio finisce con Gibbs appena risvegliato con una chiamata di Fornell, anche lui ex-marito di Diane.

La squadra deve vedersela con alcuni terroristi, ex marines, coinvolti nel sequestro di una volontaria impegnata in un orfanotrofio in Siria. Alla fine dell'episodio capiscono che dietro a questo sequestro, che è una montatura, c'è la vittima del presunto rapimento che vuole uccidere un imam impegnato in un seminario a Washington. Vance, avvertito da Gibbs riesce a sventare l'attentato e a salvare l'imam. Intanto Tony è alle prese con una relazione che sembrerebbe seria con un'agente dell'ATF, lui non vuole farlo scoprire alla squadra ma alla fine tutti se ne accorgono.

Il team deve indagare sull'omicidio di un comandante della Marina che è il primo gay dichiarato delle forze armate a ricevere la Medaglia d'Onore. Intanto Palmer si prepara a diventare padre.

Quando il corpo di un Marine viene trovato in bosco, con in mano una foto macchiata di sangue e al dito un anello della stessa accademia militare che Tony aveva frequentato, la squadra comincia ad indagare. Le indagini prendono la strada della Remington, il nome della scuola, quando si scopre che l'ultima chiamata che la vittima aveva ricevuto veniva da lì e che la foto era di una cadetta della stessa scuola, morta suicida a causa del bullismo subito dal corpo d'onore perché aveva rifiutato le avance di un altro compagno di corso. La ragazza era la sua fidanzata e il marine voleva denunciare la cosa, per questo è stato ucciso, da prima i sospetti cadono sul cadetto che ha stalkerato la ragazza, poi sul preside della scuola ed infine sul mentore del ragazzo.

La squadra sospetta che la vendetta del nemico di Gibbs sia dietro ad un'esplosione ad un summit sul terrorismo globale. Tuttavia Gibbs decide di lasciare l'indagine al team per andare ad aiutare Fornell la cui vita è sconvolta dal recente assassinio della moglie.

Un'identità segreta creata per Gibbs in occasione di una missione sotto copertura di vent'anni prima ritorna a galla dopo che una vittima di omicidio viene ritrovata viva e con l'alias di Gibbs che aveva utilizzato in quella missione.

Un dipinto di estremo valore è scomparso ed è stato sostituito con un falso. Questo porta a coinvolgere DiNozzo Sr. nelle indagini in quanto conosce molto bene il mercato nero dell'arte.

Dopo che il corpo di un ladro viene ritrovato morto a casa di un Marines, l'NCIS trova un biglietto con il numero di un gruppo terroristico che Delilah e il DOD stavano tentando di localizzare.

Un sottoufficiale della marina viene assassinato e si riapre un caso irrisolto di quarant'anni su un'esplosione avvenuta in un aeroporto sul quale Gibbs e DiNozzo stavano lavorando. Intanto McGee è geloso di non essere coinvolto nel caso.

Tony viene affiancato dalla fidanzata Zoe Keates, agente speciale dell'ATF, in un'indagine riguardante l'arma utilizzata per un omicidio che si scopre essere stata acquistata proprio dall'ATF per un'operazione chiamata "Operazione Fast and Furious". Nel frattempo DiNozzo Senior fa ritorno in città per conoscere la nuova fidanzata del figlio.

Gibbs e Bishop volano in Afghanistan dopo aver scoperto che l'omicidio di una Marine a Washington è legato ad un gruppo terroristico che tiene in ostaggio un altro Marine. Intanto DiNozzo è geloso di McGee in quanto è stato scelto come nuovo volto della procedure di reclutamento dell'agenzia.

La squadra viene affiancata dall'agente speciale della sezione cyber dell'NCIS Ned Dorneget quando una guardia marina che lavorava all'Intellicence viene assassinata. Le indagini portano alla scoperta di un'organizzazione di reclutamento di giovani terroristi fra i quali si cela anche l'assassino, un giovane adolescente. Gibbs dopo averlo individuato cerca di farlo ragionare spingendolo ad arrendersi ma questo finisce per suicidarsi con una bomba che provoca una grande esplosione, nella quale anche Gibbs viene coinvolto, che termina l'episodio con cliffhanger.

Il team scopre l'esistenza di un gruppo terroristico detto "I Chiamati" che recluta giovani bambini per trasformarli in armi e in futuri terroristi. Durante le indagini per individuare Sadiq Samar, un importante reclutatore dell'organizzazione, Gibbs, DiNozzo e Bishop si imbattono in una giovane recluta, un bambino che si chiama Luke Harris. Gibbs cerca di far collaborare il bambino che dopo iniziali dubbi decide di fidarsi dell'agente. Nel frattempo "I Chiamati" uccidono entrambi i genitori adottivi di Harris in quanto lo reputano un traditore. Il bambino rimane sconvolto dalla visione dei suoi genitori uccisi. Intanto McGee e Dorneget volano in Egitto per indagare sul gruppo terroristico. Mentre Tim interroga uno dei leader del gruppo, Rousseau, Dorneget viene coinvolto in un attentato de "I Chiamati" dove viene ferito a morte. Dopo la morte di Ned il team scopre che i terroristi sono pronti ad attaccare le città più importanti del mondo con delle mine modificate. Al termine dell'episodio si scopre che la madre di Ned, Joanna Teague, è un'agente della CIA e chiede a Gibbs di poter collaborare con lui per vendicare la morte del figlio.

La squadra con la collaborazione di Joanna Teague prosegue l'indagine contro "I Chiamati". Durante l'episodio, dopo lunghe indagini il team riesce ad arrestare Sadiq Samar, mentre viene identificato il vero capo dell'organizzazione, Daniel Budd. Intanto Luke viene aiutato a fuggire per fare ritorno in Iraq dove viene inseguito da Gibbs, Joanna e DiNozzo. Vance interroga Samar e comprende che è imminente un attentato. Nel frattempo, mentre DiNozzo riceve una telefonata da Budd, Gibbs viene raggiunto dal piccolo Luke che gli spara due colpi di pistola, lasciandolo a terra gravemente ferito mentre si appresta ad ucciderlo.