Alors que Gibbs se retrouve entre la vie et la mort, le NCIS traque Daniel Budd, cerveau d'un groupe terroriste. DiNozzo et Teague partent à Shanghai pour retrouver Budd. Toute l'équipe est sur le qui-vive, entre la peur et le désir de se venger.

Luis Mitchell, agent de la DEA, demande l'aide du NCIS pour localiser un marin qui pouvait faire inculper Benson Long, un trafiquant de drogues. DiNozzo découvre alors que Mitch est le fils d'un agent du NIS lié au passé de Gibbs.

Un Marine est retrouvé mort à Quantico alors qu'il avait sollicité Gibbs sur une enquête quelques heures plus tôt. Pour obtenir des informations sur un couple suspect, McGee et Bishop s'installent dans la maison d'en face en tant que mari et femme...

Leon Vance rejoint Gibbs sur le terrain pour un homicide lié à un ancien agent du NCIS qu'il avait mis derrière les barreaux pour vols multiples. Mis en cause par ce dernier, Vance s'implique dans l'enquête pour sauver son poste de directeur du NCIS.

Dans le cadre d'une enquête sur le meurtre d'un biochimiste de la Navy, Abby se rend dans un laboratoire pharmaceutique lorsque des hommes armés déclenchent le protocole de confinement et menacent de tuer des otages...

Un officier a été tué par un serial killer recherché. Lorsqu'un homme ayant avoué les crimes précédents est arrêté juste avant, le NCIS comprend qu'il s'agit d'un imitateur. McGee et Delilah doivent faire des compromis avant d'emménager ensemble...

L'enquête sur le meurtre d'un marin pousse Ducky à parler à Gibbs de son club de détectives amateurs, à qui la victime avait demandé d'innocenter son fils. Condamné pour un meurtre, il avait été inculpé après un test ADN effectué par Abby...

Des médecins bénévoles sont attaqués au Soudan du Sud et deux d'entre eux sont portés disparus, dont le mari de Jeanne Benoit, l'ex de DiNozzo. McGee, Tony et Jeanne se rendent au Soudan, sans Gibbs qui se remet de son opération.

Libéré du couloir de la mort pour vice de procédure, un jeune marin demande au NCIS de l'arrêter afin de prouver son innocence dans la mort de son ex. Bishop surprend son mari avec une collègue et craint qu'il n'ait des problèmes avec la NSA...

La Secrétaire de la Navy demande au NCIS de retrouver le 4e enfant d'une fratrie après la mort de deux d'entre eux et alors que le 3e a besoin d'une greffe. À quelques jours de Thanksgiving, Bishop prend part à l'enquête.

Ducky est agressé par un homme à la recherche de son demi-frère, que le légiste croyait mort. Alors que l'équipe traque le suspect, Ducky replonge dans les derniers moments passés avec ce frère qu'il n'a jamais cessé de rechercher.

Un jet privé en route pour Washington ne répond plus, et pour cause : les 5 passagers sont morts. Après avoir forcé l'avion à atterrir, Gibbs apprend que le frère d'Abby était à bord. Il était cuisinier pour une société de technologies militaires...

Enquêtant sur le meurtre d'un marin, l'équipe découvre qu'un réseau international de trafic d'êtres humains a refait surface. McGee espère passer la nuit chez un collègue après qu'une tempête a provoqué d'importantes pannes de courant.

Lorsqu'un scaphandrier est assassiné pendant son travail, son corps et ses collègues suspectés doivent rester quatre jours dans un caisson de décompression. L'équipe du NCIS mène alors une enquête peu orthodoxe depuis l'extérieur du caisson.

Lorsque la secrétaire d'État à la Marine apprend que sa fille a été enlevée, l'équipe du NCIS s'associe au FBI pour la sauver. Et l'amie d'enfance de McGee, l'agent Page, est en ville pour présenter à l'équipe des tactiques d'entraînement avancées.

Le docteur Cyril Taft est désigné pour opérer le suspect de Gibb et trouve des preuves essentielles. Et Dinozzo rend visite à Jeanne Benoit (Scottie Thompson) en suivant une piste impliquant des médecins au Soudan.

Les projets des agents du NCIS sont mis en pause lorsqu'ils identifient des erreurs dans une affaire classée. McGee et Delilah se disputent sur l'importance de ne pas parler travail pendant le dîner, et DiNozzo fatigue son rencard en parlant boulot.

Dans le 300e épisode de NCIS : Enquêtes spéciales, l'équipe réexamine l'embuscade tendue à des tireurs d'élite en Irak quand des Américains y sont attaqués six mois plus tard. Gibbs a besoin du témoignage du seul survivant, le sergent Aaron Davis.

L'équipe du NCIS doit déterminer qui ment quand deux femmes s'accusent mutuellement du meurtre d'un officier des affaires publiques de la Navy. Et Anthony DiNozzo, Sr. (Robert Wagner) aide une femme SDF qui croit qu'il est son père.

Après que l'identité de Tony a été volée par plusieurs malfaiteurs, de faux agents spéciaux DiNozzo se mettent à faire chanter des sénateurs.

Gibbs et l'agent du FBI T.C. Fornell (Joe Spano) unissent leurs forces après que deux prisonniers britanniques évadés arrivent aux États-Unis. McGee cherche un appartement et est déterminé à découvrir comment DiNozzo a acheté son somptueux logement.

Lorsqu'un jeune de 14 ans déjoue un cambriolage, Gibbs soupçonne l'adolescent de dissimuler des détails importants. Le directeur Vance et l'agent du FBI Fornell se rendent à Londres dans le cadre de l'affaire de l'espion britannique en fuite.

L'équipe du NCIS, en conjonction avec le FBI et le MI6, continue sa chasse à l'homme internationale pour retrouver un espion britannique en fuite qui a laissé un collègue entre la vie et la mort en soins intensifs.

Dans l'épisode final de la 13e saison, le NCIS, le FBI et le MI6 poursuivent leur chasse à l'homme internationale pour retrouver un espion britannique en fuite qui s'attaque à des agents, actuels et retraités.