Dopo la morte del direttore Shepard, Tony, Ziva e McGee sono stati rimpiazzati da un nuovo team, formato dagli agenti Lee, Keating e Langer. Vance incarica Gibbs di individuare una talpa nel nuovo team appena formato. Con l'aiuto dell'agente McGee, Gibbs è in grado di tracciare le chiamate tra Lee ed un sottufficiale defunto. Dopo una lunga verifica sulle telefonate dell'agente Lee, lei è però scagionata. Mentre Keating viene interrogato, dei colpi vengono sparati e l'agente Lee viene ritrovata con il corpo di Langer, che lei ha ucciso. Gibbs e Vance arrivano alla conclusione che Langer doveva essere la talpa. Alla fine dell'episodio McGee e Ziva si ricongiungono con Gibbs nel loro open-space, mentre l'agente Lee si avvia verso l'ascensore. Mentre sta per uscire di scena, la donna riceve un messaggio sul cellulare che dice: "Sospettano qualcosa?". La risposta è un semplice: "No". Tutto dunque lascia intendere che è lei la talpa e non il defunto Langer.

Mentre è ancora di stanza su una portaerei, Di Nozzo scopre che l'apparente suicidio di un tenente della Marina può essere collegato ad uno schema più grande e pericoloso. Si scopre, infatti, che l'ufficiale è stato ucciso giorni addietro e che qualcun altro ha preso il suo posto, minacciando di liberare dell'Antrace sulla portaerei. Gibbs e la sua squadra vengono inviati ad aiutare con l'indagine. Alla fine a Di Nozzo è permesso di tornare a Washington, nonostante l'opposizione del Direttore Vance.

Due ragazzi durante una corsa in bici a Rock Creek Park scoprono nel lago il cadavere di Carrie McClellan, capitano di corvetta di stanza al Pentagono ed addetta alle relazioni del Congresso per l'Ufficio Affari Legislativi della Marina. All'Ncis Ziva regala una tortina ad Abby per averla ospitata a casa sua per la notte e Tony stuzzica Ziva per sapere se hanno dormito insieme. Durante la raccolta delle prove sta per iniziare a piovere e Gibbs mette fretta al team per non perdere le prove, ma lui riceve una telefonata e scappa senza motivo lasciando di stucco Tony, McGee e Ziva. Gibbs incontra di nascosto un senatore suo amico da quando, insieme, erano entrambi in servizio in Iraq. Il senatore chiama Gibbs con il nomignolo Gunny e gli confessa che aveva una relazione con il capitano di corvetta morto. Il senatore cerca di discolparsi dicendo che qualcuno lo vuole incastrare perché sta per fare approvare una legge che abbasserà i consumi di carburante e le compagnie petrolifere non ne saranno sicuramente entusiaste. Al Direttore dell'Ncis arriva una telefonata fatta con un programma digitale che dice dove si trova l'arma del delitto. Tony e McGee vanno a recuperare l'arma in un canale putrido e McGee cade nella melma perché Tony non riesce a tenerlo. Tale pistola conduce al senatore. Un'altra telefonata giunge al Direttore dell'Ncis e dice perché Gibbs sta coprendo un suo vecchio amico. Il Direttore telefona a Gibbs ma questo arriva in ufficio insieme al senatore. A casa il senatore confessa alla moglie di averla tradita. Abby intanto sta facendo un'indagine molto divertente per scoprire chi le ha rubato la tortina e scopre che è stato McGee, il quale si becca, all'istante ben due scappellotti, il primo da Ziva ed il secondo da Tony. Gibbs a casa sua riceve la visita della moglie del senatore che gli dice che pure essendo arrabbiata con il marito è convinta che un Marine non avrebbe mai sparato alle spalle di un altro Marine e per di più donna. Viene trovato morto il braccio destro del senatore, con una lettera di spiegazioni per il suo suicidio ed un computer su cui era stato appena inserito un programma che riproduce la voce. Caso risolto, almeno all'apparenza, ma non per il team di Gibbs, che continua ad indagare contro la volontà del Direttore Vance. Infatti alla conferenza stampa del senatore, Gibbs arresta la moglie del senatore che ha ucciso il capitano di corvetta McClellan per gelosia, Gibbs non aveva mai detto alla moglie del senatore che al capitano di corvetta McClellan avevano sparato alla schiena ed inoltre arresta anche il senatore che ha commesso l'altro omicidio, quello del braccio destro del senatore, per incolpare qualcun altro.

Una coppia di Marines viene aggredita all'uscita da un night-club. Di questi due uno viene ucciso, e l'altro viene lasciato in fin di vita. L'NCIS viene chiamata ad indagare, e l'indagine porta la squadra a Stillwater, Pennsylvania, la città natale di uno dei due Marines ed anche di Gibbs. La ricerca li conduce al proprietario di una miniera ed alla sua famiglia. Sua figlia è stata l'ex fidanzata del Marine ferito. Quando la squadra scopre che il Marine ferito è effettivamente il figlio del proprietario della miniera, l'indagine si rivolge al genero di quest'ultimo, che si scopre essere il mandante dell'attacco ai due Marines. Sempre nella sua città, il team di Gibbs incontra il padre del loro capo: Jackson Gibbs, che gestisce un negozio di alimentari. L'incontro tra padre è figlio è inizialmente freddo in quanto Gibbs non ha perdonato al padre il fatto di essersi trovato una nuova compagna dopo la morte della madre. Tuttavia il loro rapporto pian piano si rinsalda, soprattutto dopo che Jackson mostra al figlio l'auto sportiva che ha restaurato e rimesso in modo apposta per lui nel corso di 30 anni. Naturalmente Ziva, Abby, Di Nozzo e McGee sono sorpresi e stupefatti dall'incontro col padre del loro capo e cercano di capire che tipo di rapporti ci sia tra i due e cosa il vecchio Jackson abbia insegnato al figlio per renderlo ciò che è diventato. Durante l'indagine Gibbs ritrova inoltre vecchi amici ed esplora il suo passato e in particolare le origini del suo rapporto con la sua prima moglie, Shannon, madre della sua unica figlia, Kelly, entrambe uccise molti anni prima.

Un giovane marine viene brutalmente assassinato nel suo garage. Sull'arma del delitto la Scientifica trova le impronte del sergente Jack Kale, il superiore della vittima. Tuttavia Gibbs, DiNozzo e Ziva non riescono a interrogarlo perché Kale è entrato nel programma "Protezione Testimoni" poiché è il testimone chiave di un processo su una persona accusata di omicidio. L'indagine viene quindi coordinata dall'FBI ed affidata all'agente federale Fornell. La squadra NCIS si vede così costretta ancora una volta a lavorare contro Fornell.

La squadra è costretta a lavorare la notte di Halloween a causa di un serial killer che pubblica su internet indizi sulle sue prossime vittime.

Un giorno nell'ultima pubblicazione dell'omicida appare il volto di Gibbs. Gli investigatori si concentrano sul mondo della musica e arrestano un sospetto che fa dei falsi video di omicidi, mentre Vance decora una giovane agente dell'NCIS.

Un agente in servizio di sorveglianza in una banca di Quantico viene ucciso durante una rapina. Poiché si tratta di un omicidio commesso in una base dei Marines, il direttore Vance assegna alla squadra una nuova recluta, l'agente Dwayne Wilson (Rey Valentin). Il bottino della rapina è quasi insignificante e dopo poco viene ritrovato un furgone con i resti carbonizzati dei pochi soldi sottratti. Perché allora è stata commessa la rapina? Durante le indagini emerge che la stessa banda ha effettuato altre rapine molto più redditizie e che il figlio dell'agente ucciso era coinvolto. La rapina dunque è stata la copertura dell'assassinio dell'agente, con lo scopo di catturare suo figlio durante il funerale. La squadra raggiunge il cimitero proprio mentre la banda ha appena catturato il ragazzo, ma un intervento "creativo" della nuova recluta permettera a Gibbs e ai suoi di arrestare i criminali. Nel finale della puntata Gibbs si rende conto che l'agente Brent Langer - ritenuto un traditore e ucciso dall'agente Lee - è stato accusato ingiustamente.

A una base militare dall'attività interna segreta viene consegnata una cassa con un cadavere congelato. La squadra di Gibbs sente puzza di bruciato e organizza un "ingresso" notturno. McGee oscura le videocamere mostrando sui video dei sorveglianti un filmato vuoto in loop, mentre Dinozzo e Ziva entrano seguendo le loro istruzioni via audio. Improvvisamente l'allarme suona, nonostante fossero stati disattivati; sapevano del loro arrivo! Ma era "solo" un test che la squadra di Gibbs deve fare per testare la sicurezza di "Domino", un programma che prevede nei dettagli la risposta statunitense ad attacchi terroristici contro obiettivi sensibili in Israele o Medio Oriente. Dinozzo e Ziva vengono catturati (non senza resistere), e vengono raggiunti da Gibbs e Vance. C'è ancora una talpa nel NCIS! Non era Langer. Tuttavia l'intero test e l'edificio erano solo un'esca per il traditore. Grazie a un elemento radioattivo messo sulla tastiera di Domino, con un contatore geiger viene individuata... Abby! Lee si lava nervosamente le mani. Vance le chiede di procurarle un avvocato, quindi Lee esce e Vance la fa spiare per trovare il suo contatto. Lee viene interrogata, rivela che Langer è innocente e spiega la sua storia: è ricattata da alcuni sconosciuti che hanno rapito sua figlia. Lee esce dall'edificio e trova Gibbs in auto. (continua nella prossima puntata)

(continua dalla puntata precedente) Inizia il pedinamento di Lee, che lascia una pendrive in un giornale piegato al bar. Il contatto lo prende. Dinozzo viene però fermato da Lee che gli rovescia un caffè addosso, e il contatto sfugge. Grazie a un satellite spia riescono a localizzare la bambina con un rapitore, perciò Ziva e Dinozzo si recano in zona per tentare di recuperarla e di catturare i ricattatori. Trovano una catapecchia disabitata (a parte il cadavere del rapitore visto col satellite), e una stanza nascosta dove veniva rinchiusa la bimba. La squadra tenta nuovamente di intercettare il contatto di Lee, che si scopre essere un altro ricattato a cui è stata rapita la moglie e viene costretto a fare da tramite con Lee. Nel frattempo Abby scopre che in realtà la figlia di Lee non è tale e che la moglie del ricattato è morta. È la sorella adottiva. Organizzano allora una cattura proponendo uno scambio Domino-bambina in un bar, tramite il ricattato. Mentre Lee passa Domino al compagno di sventura, che lo mette in un menu del bar, su indicazione dei criminali via sms, Dinozzo e Ziva scoprono un supercomputer. Al bar il ricattato si rivela essere il criminale, rapisce Lee e sequestra un autobus, ma lei riesce a immobilizzarlo per un attimo e Gibbs, ferito, spara, uccidendo entrambi. Domino è salvo, ma... in realtà non era mai uscito dall'ufficio di Vance!

La squadra indaga sull'omicidio del sottufficiale di Marina morto in uno strano incidente stradale. Le indagini partono da un "fight club" di cui la vittima faceva parte.

Sulla scena di un omicidio vengono ritrovate le impronte digitali di un ex ufficiale di Marina, Ned Quinn, ufficialmente deceduto parecchi anni fa. La polizia locale si rivolge quindi all'NCIS. Catturato l'uomo e ricostruita la sua storia, Gibbs non crede nella sua colpevolezza e apre un'indagine proprio nel giorno di Natale. Alla fine dell'episodio Gibbs chiama suo padre, Jack, per fargli gli auguri di Natale.

Gibbs manda McGee in una prigione femminile per interrogare una detenuta sospettata dell'omicidio di un marine, ma le cose non vanno come previsto e l'agente resta coinvolto in una rivolta scoppiata in seguito alla morte della guardia carceraria Hayden Trimble. Tenuto in ostaggio, dovrà anche scoprire chi ha ucciso Trimble.

Durante le rilevazioni in seguito ad un omicidio di un marine, il Dottor Mallard viene avvicinato e accoltellato in strada da una donna afghana che poi va a chiedere asilo nella sua ambasciata. In seguito al racconto della donna, l'ambasciata informa Gibbs che il governo afghano chiederà che Ducky venga arrestato e processato per crimini di guerra commessi nel campo profughi di Jalozai, in Afghanistan.

Un capitano del controspionaggio muore in circostanze bizzarre. L'NCIS pensa che sia stato ucciso e indaga nella vita privata dell'ufficiale per scoprire il possibile movente.

Le indagini si concentrano sulla sparizione di un microprocessore segreto e su una misteriosa donna cubana.

Durante le indagini in seguito all'omicidio di un marine, la squadra rimane coinvolta in una guerra di bande. Viene infatti ritrovato il corpo di un uomo morto, che prima di morire sembra aver scritto col suo sangue il numero di matricola di Gibbs.

Il passato torna così a tormentare Gibbs, che chiede aiuto a Franks e affronta così un altro capitolo del suo passato.

Quando Gibbs si era momentaneamente ritirato in Messico, Tony aveva condotto in qualità di suo sostituto un'indagine su una truffa di un milione di dollari ai danni della Marina. Il colpevole, Renny Grant, viene rilasciato tre anni dopo in libertà condizionale e un suo compagno di lavoro viene ucciso in una stanza d'albergo presa a nome di Tony.

Gibbs metterà Tony di nuovo a capo dell'indagine per risolverla una volta per tutte e lui si comporterà come se fosse un collega dello stesso livello di Ziva e McGee.

L'agente Patterson prende un appuntamento con Abby per consegnarle un pacco da analizzare. Strada facendo un'auto si avvicina ad alta velocità e lo uccide.

Bartholomew Lemming, della Sicurezza Nazionale, offre il suo aiuto nelle indagini, ma si scoprirà che è coinvolto nella vicenda.

Un pugile di nome Tyler Owens viene trovato ucciso. Vance apre un'indagine che inizia a seguire personalmente lasciando fuori Gibbs. Va così a prelevare Tara, una psicanalista che conosceva Owens e proibisce a Abby di informare Gibbs sui risultati delle ricerche.

Ma Gibbs non se ne sta a guardare e ne approfitta per scavare nel passato di Vance.

Nella scatola dei giochi del figlio di un marine al fronte, la madre trova una pistola e la consegna alle autorità che allertano l'NCIS. L'intera famiglia finisce sotto indagine per il crimine in questione.

Abby analizza l'arma e scopre che ha sparato di recente. Interrogando il ragazzino si scopre che lui e i suoi amichetti avevano precedentemente trovato un cadavere.

Un agente della CIA che in passato ha aiutato Gibbs, Trent Kort, chiede che gli venga ricambiato il favore.

Gibbs accetta di collaborare e inizia così la caccia ad un pericoloso criminale, che però viene ritrovato malato e in fin di vita. La minaccia non è più lui infatti, ma uno degli uomini che lavoravano per il criminale.

Il governo chiede aiuto a Abby per continuare una missione interrotta a seguito della scomparsa di alcuni scienziati che vi lavoravano. Abby però non impiega molto a scoprire che la missione è una copertura per la costruzione di un'arma da vendere al mercato nero.

Un marine sotto sorveglianza viene ritrovato morto. Gibbs e McGee quindi si recano a Los Angeles per indagare insieme al team del luogo, ma il caso si trasforma ben presto in qualcosa di molto più complesso.

Quando si scoprirà anche l'esistenza di un traffico d'armi, l'indagine si trasforma in una questione di sicurezza nazionale e i due team uniscono tutte le loro forze per risolvere il mistero.

Nel frattempo Tony trova il tempo per scavare nella vita privata di Ziva.

L'indagine di Los Angeles continua e spunta il nome dell'agente del Mossad Michael Rivkin, l'amante di Ziva. Tony quindi si trova costretto a mettere in discussione la sua fedeltà all'NCIS.

Nel frattempo, a Los Angeles, l'agente speciale Callen cerca di infiltrarsi sotto copertura nella cellula terroristica, e lo psicologo Nate Getz, scopre la verità sul rapporto tra Gibbs e l'agente speciale Lara Macy.

Alla fine tutti i componenti della cellula vengono uccisi, Rivkin prende il volo per Tel Aviv e McGee e Gibbs possono ritornare a Washington. Nelle scene finali però si vede che all'agente Callen sparano per strada, ferendolo in modo grave.

Durante una partita a poker tra i dirigenti delle principali agenzie federali degli Stati Uniti (CIA, FBI, Immigrazione), un agente della Immigrazione addetto alla sicurezza rimane ucciso. Ad indagare viene chiamata l'NCIS, che scoprirà quindi di essere stata esclusa da quella apparentemente informale riunione. Si scoprirà che il colpevole è un terrorista che aveva cercato di inserire una microspia nel luogo della riunione, che verrà poi ritrovato morto, apparentemente suicidato.

La riunione delle agenzie in realtà non era informale, ma si discuteva di sicurezza interna e dei rapporti con il Mossad e l'NCIS era stata esclusa perché si decideva se affidare al direttore Vance un'operazione correlata.

Alla fine della vicenda Tony, con l'aiuto di Abby, continua ad indagare sullo strano suicidio del terrorista, e scopre che dal suo computer era stato fatto un collegamento con l'abitazione di Ziva. Così decide di recarsi di persona all'abitazione della collega, ma ad aprirgli la porta trova Rivkin, nonostante i due avessero già avuto poco prima un incontro in cui Tony lo intimava a tornarsene in Israele. Tony cerca di arrestarlo, ma Rivkin reagisce aggredendolo e dopo una colluttazione Tony gli spara uccidendolo, proprio mentre Ziva stava rientrando.

Dopo la morte di Rivkin, Tony e Ziva fanno rapporto a Gibbs e Vance sull'accaduto; quest'ultimo decide, per salvaguardare i rapporti con il Mossad, di recarsi personalmente con Gibbs, Tony e Ziva a Tel Aviv. Qui Tony viene interrogato direttamente dal Direttore del Mossad, Eli David, nonché padre di Ziva. Il confronto tra i due è acceso, poiché Tony rimane sarcastico ed ironico come sempre, ma proprio grazie a questo riesce a far sì che Eli si lasci sfuggire che Rivkin seguisse i suoi ordini, di fatto ribaltando la situazione. Nel frattempo Gibbs, aiutato da Abby e McGee da Washington, scopre che Ziva aveva avuto di recente contatti con il Mossad e aveva tenuto nascoste informazioni al resto della squadra, incluso il fatto che Rivkin avesse ucciso un agente americano. Ziva ha un forte confronto con Tony, lei è convinta che Tony volesse uccidere Rivkin sin dall'inizio e non è disposta a credere il contrario mentre lui afferma di averlo fatto solo per proteggerla. Alla fine si scopre che Rivkin era diventato un agente scomodo per il Mossad e, poiché Rivkin aveva ucciso un agente americano, i rapporti diplomatici rimangono intatti.

Prima di ripartire per Washington, Ziva è ancora arrabbiata con Tony e chiede a Gibbs di trasferirlo per non avere in squadra un compagno di cui non si può fidare. Ma Gibbs capisce che è una richiesta impossibile, fatta perché lei vuole restare nel Mossad, e allora riparte con Tony e Vance lasciando Ziva in Israele dopo averle detto addio. Gibbs parla con Vance, dicendogli di voler dare tempo a Ziva di cambiare idea, ma Vance non sembra propenso a concedergli la richiesta. Gibbs afferma di aver ancora fiducia in Ziva per averlo salvato da Ari quattro anni prima, ma Vance gli rivela non solo di averlo sempre saputo, ma anche che Ziva fosse stata mandata a Washington da Eli proprio per uccidere il fratellastro sin dall'inizio e di fare in modo, attraverso questo gesto, di ottenere la fiducia di Gibbs. L'agente rimane spiazzato per essere stato raggirato da Eli attraverso Ziva, ma decide comunque di aspettare un po' di tempo prima di prendere un nuovo agente in squadra.

Nella scena finale si vede Ziva legata e torturata in una stanza, mentre cercano di estorcerle informazioni sull'NCIS.