Lorsque Maurice Riva, l'ex-compagnon violent de la mère de Nick Torres quand celui-ci était enfant, est abattu, Nick est arrêté par le FBI. Refusant d'être assisté par un avocat, l'agent du NCIS reconnaît le meurtre. Ses collègues, qui ne croient pas en sa culpabilité, cherchent à l'innocenter...

A son arrivée au domicile de Ducky pour l'aider sur une de ses enquêtes, Palmer le découvre mort dans son sommeil. Pour honorer la mémoire du légiste et historien du NCIS, l'équipe va reprendre cette enquête inachevée concernant un Marine dont la mort suspecte a entraîné son déshonneur militaire...

Palmer organise une journée où chaque agent va travailler dans un autre service pour découvrir le métier de ses collègues. Torres est à la comptabilité, McGee au garage, Knight à l'entretien, et Hines au standard téléphonique. Kasie prend un appel mystérieux : un homme prétend être poursuivi. L'équipe découvre que l'homme en question est un ancien agent du NCIS, Eric Webb…

Le second-maître Derek Bailey disparaît au cours d'une randonnée où il avait emmené sa petite amie Tanya. Sur place, le NCIS découvre une bague de fiançailles mais, selon Tanya, l'homme s'est rétracté une fois de plus, incapable de s'engager. Les agents découvrent alors que Bailey travaillait sur les plans top secrets d'un submersible furtif...

Une arme de service appartenant à un agent disparu a été utilisée récemment pour un meurtre. Feng Zhao, agent spécial du NCIS et père de Knight, aide l'équipe à enquêter sur ce mystère. McGee obtient les résultats des tests ADN, qui confirment l'existence d'un parent dont il ignorait l'existence...

Le corps d'un pilote de chasse est découvert criblé de blessures inhabituelles. Peu de temps avant son assassinat, le lieutenant Greene avait témoigné devant le Congrès sur l'apparition de PAN, des phénomènes aérospatiaux non identifiés. Pour résoudre leur enquête, les agents du NCIS plongent dans le monde des théories sur les OVNI...

Le NCIS doit de nouveau subir les attaques d'un ennemi mystérieux en lien avec une ancienne enquête de l'équipe, gérée par Gibbs à l'époque. Vance tente de se réconcilier avec son fils, dont il est séparé, en lui expliquant pourquoi, malgré les dangers de son travail, il choisit de rester au NCIS...

Un célèbre chirurgien cardiaque a été enlevé, séquestré puis assassiné. Qui pouvait en vouloir à cette pointure de la médecine ? C'est ce que tente de savoir l'équipe du NCIS qui débute son enquête. Mais les suspects sont nombreux : anciens patients, famille d'anciens malades, règlement de comptes personnel ?...

Après la découverte du cadavre d'un capitaine de la Marine, le NCIS est surpris car la victime, Tom Riley, était présumée morte depuis deux ans. Pendant ce temps, Delilah embauche une vedette de la télévision spécialisée dans la rénovation pour s'atteler à la cuisine de McGee, au grand dam de Tim...

Trois corps sont découverts sur un vieux navire militaire sur le point d'être coulé pour servir de récif artificiel. Alors qu'ils enquêtent à bord, Knight et Parker se retrouvent enfermés par un suspect. De son côté, Vance propose un poste à Knight, mais l'accepter aurait des conséquences personnelles...