L'équipe cherche à démontrer au FBI que Parker, en cavale avec son ex-femme Vivian, est victime d'un coup monté orchestré par un corbeau pour ruiner sa réputation. Fornell apporte son aide pour le disculper, de même que les agents Jane Tennant et Ernie Malik, en visite à Washington pour rencontrer Vance.

Un corps est retrouvé dans un entrepôt de stockage gouvernemental réputé inviolable. Chargé de l'enquête, le NCIS est rapidement mis sur la piste de Carter Landegraff. McGee voit alors sa vie professionnelle et personnelle se croiser car il s'agit d'un parent d'élève de l'école de ses enfants. C'est également l'occasion pour lui de réaliser comment les autres pères le perçoivent.

Un cadavre est retrouvé dans un cimetière qui est réputé maudit. L'équipe tente de comprendre le mode opératoire de l'auteur du crime et les raisons pour lesquelles il a choisi ce lieu. De son côté, Torres comprend qu'il est en danger, ainsi que le docteur Grace avec laquelle il est en thérapie...

Le corps d'un quartier-maître est découvert par des campeurs dans la forêt. Pour élucider ce meurtre, le NCIS fait enquête commune avec le service d'investigation des parcs nationaux, représenté par Gage Winchester. Celui-ci n'est autre que l'ex petit-ami de Knight, avec qui il tente de se réconcilier.

Malgré une violente intrusion à son domicile, où il a abattu l'un des agresseurs, Vance maintient un déplacement à Berlin pour une conférence Interpol. Accompagné de Parker, il retrouve Lena Paulsen, un agent du renseignement allemand avec qui il a travaillé dans le passé. Celle-ci est attaquée à son tour.

Otis Khatri, un agent du NCIS, est retrouvé mort au domicile de Mary Laredo, une collègue et amie dont il gardait le chat. Ce décès relance la théorie d'une taupe au sein du NCIS. Vance et Cole découvrent alors que Kasie a été recrutée il y a plusieurs mois par le service d'enquête de la Défense pour mener une enquête interne, y compris auprès de ses collègues, qui tombent de haut en l'apprenant.

Félix Lassiter débarque dans les locaux du NCIS pour accuser sa femme Tara Flynn, la secrétaire de la Navy, d'avoir tenté de le tuer à trois reprises. Personne ne le prend au sérieux jusqu'à ce que l'homme soit cette fois victime d'un empoisonnement avec un neurotoxique militaire, obligeant les agents à interroger Tara Flynn.

Le pays s'apprête à fêter Thanksgiving quand un tireur isolé sème le chaos lors d'une course caritative organisée par l'amirale Stock, en présence du NCIS. Tandis que les agents tentent d'identifier le tireur pour éviter un nouveau drame, Jessica demande à Kasie de l'accompagner à un déjeuner chez sa soeur Robin et son nouveau fiancé...

Le NCIS enquête sur la mort d'un étudiant réserviste. Il a été aperçu peu avant d'être percuté par une voiture. Son comportement était étrange et il avait traversé la rue sans se préoccuper de la circulation. L'enquête se complique lorsqu'un lien est établi avec la femme de McGee, Delilah, qui lui donnait des cours de cryptographie...

Les agents du NCIS de Washington, Hawaï et Los Angeles sont réunis pour célébrer le départ à la retraite de leur ancien instructeur, le bien-aimé professeur Dale Harding. Lorsque ce dernier est retrouvé mort à son domicile, les trois équipes vont enquêter conjointement pour en découvrir les raisons.

Parker découvre qu'il est victime de vol d'identité lorsqu'il enquête sur le meurtre inhabituel d'Ashley Watts, une enseigne de la Navy. En effet, la chambre dans laquelle la victime a été retrouvée a été réservée au nom et avec la carte de crédit de Parker. Knight et Jimmy font face à des obstacles.

Torres est approché par l'agent Dale Sawyer, en infiltration dans une opération avec le FBI, avant qu'il ne disparaisse et qu'on retrouve le corps de son coéquipier dans son véhicule. Pour retrouver Sawyer, le NCIS reprend leur enquête sur des braqueurs de camions à destination des bases navales. Par ailleurs, McGee se prépare à participer à un jeu télévisé populaire.

Pour se préparer à un futur rôle d'agent du NCIS, la célèbre actrice Chloe Marlene suit l'équipe le temps d'une enquête. Elle va être entraînée sur une affaire de décapitation lorsque la lieutenant Harlan reçois un colis contenant la tête d'un homme aux yeux de couleurs différente. A l'adresse de la victime, les enquêteurs découvrent d'autre corps décapités et une véritable guillotine.

L'enquête sur la mort d'un chauffeur conduit à la découverte d'opioïdes sur lesquels est gravé un W, symbole que Parker semble connaître. Il se met en colère contre son équipe de façon inhabituelle, puis s'énerve en interrogeant le principal suspect. En effet, c'est un homme qu'il a arrêté des années auparavant.

Le NCIS enquête sur le meurtre d'un quartier-maître qui était inscrit sur un site mettant en relation des seniors avec des personnes plus jeunes pour leur tenir compagnie. Parker envoie en infiltration son père Roman, qui vit temporairement avec lui car il a été renvoyé de la maison de retraite, dans l'établissement où la victime intervenait auprès de plusieurs pensionnaires.

Le NCIS soupçonne un acte de bioterrorisme lorsque plusieurs personnes perdent connaissance à cause d'un gaz toxique mais non mortel. En fin de compte, l'équipe a remarqué des liens entre l'incident et d'autres affaires auxquelles elle s'est récemment attaquée. Le père de Knight s'est cassé le bras au Japon.

Un Marine ayant servi en Afghanistan et aidant d'anciens collaborateurs de l'armée persécutés par les talibans est retrouvé mort dans son garage. Le NCIS mène l'enquête dans une association pour réfugiés afghans où la victime était bénévole. De son côté, la fille de Jimmy ne pense qu'à sortir, au grand dam de son père qui réalise qu'elle grandit.

La lieutenant de la NAVY Rachel Donohue a tenté de tuer son mari Logan mais n'en a aucun souvenir. Le NCIS découvre qu'un implant dans son bras, prototype des laboratoires Dynamics, serait responsable de ses symptômes. L'équipe remonte jusqu'au professionnel de santé qui l'a installé à l'insu de sa patiente.

Jessica Knight sauve d'une voiture en feu Reyna, une immigrée clandestine, et son fils. Un homme meurt dans les flammes, que Reyna présente d'abord comme étant son frère. Mais Kasie identifie la victime : il s'agit de Daniel Tanner, un agent de la DEA qui enquêtait sur deux frères barons de la drogue. Le supérieur de Tanner, Raymond Frank, est chargé de l'enquête conjointement avec le NCIS.

L'équipe du NCIS travaille sur le meurtre d'Amanda Greyson, la fille d'une sénatrice, ayant une réputation de rebelle et de nombreux abonnés sur Internet. La victime avait un compte sur CurioCam, où elle publiait des sons apaisants. Cette affaire va mettre Jimmy aux prises avec Miles Bauer, un ancien rival du temps de ses études à la faculté de médecine, lui aussi chargé d'identifier l'assassin.

Louis Dacey est mortellement poignardé au sein des archives nationales. En charge de l'enquête, le NCIS découvre rapidement qu'une seule personne est venue à cet endroit la nuit du meurtre et qu'il s'agit de Constance Miller, la sénatrice que fréquente Parker, qui était avec elle ce soir-là.

Ayant eu vent d'une attaque imminente prévue sur le sol américain, le NCIS décide d'infiltrer Nick Torres dans une prison pour tenter d'obtenir des informations de Yuri, car son père serait la tête pensante de l'opération. Pendant ce temps, l'équipe cherche à convaincre Evelyn de parler.