En el estreno de la temporada 12, el equipo de Washington D. C. utiliza frenéticamente todos los activos y los contactos entre organismos que tiene para localizar a los miembros del equipo desaparecidos.

Cuando asesinan a un teniente de la Marina de camino a una reunión privada con el presidente, el equipo de NCIS debe determinar si el asesinato fue parte de una reciente ola de asaltos en la zona o si es un golpe orquestado para mantener en secreto cierta información.

Cuando un caso de NCIS revela una conexión con un amigo de la infancia de Ducky con quien ya no se trata, él y la agente especial Bishop deben viajar a Londres para entrevistar a familiares y compañeros de trabajo de su amigo.

El secretario de la Marina asigna al equipo de NCIS a una fuerza especial de lucha contra el terrorismo tras el asesinato de un científico de investigación naval, cuyo principal sospechoso es buscado por el gobierno ruso.

Durante un ejercicio de entrenamiento conjunto entre guardacostas y el equipo de NCIS, Gibbs y el agente Borin de la Guardia Costera encuentran a un hombre fallecido en el mar, quien resulta ser el miembro faltante de la tripulación de un buque a 60 millas náuticas de distancia.

El equipo de NCIS debe determinar si el asesinato de la esposa de un comandante de la Marina está vinculado a su profesión como terapeuta o es un acto de terrorismo cuando encuentran el nombre del comandante en una lista de objetivos yihadistas.

Después de investigar el asesinato de un sargento mayor retirado, el equipo de NCIS descubre una organización de caridad fraudulenta que asedia a aquellos en busca de personal militar perdido. Mientras tanto, Bishop se angustia por los resultados de su evaluación de libertad condicional.

Mientras el equipo de NCIS investiga la causa de un accidente con fuga que causó la muerte de un oficial menor, Gibbs busca una manera de liberar a una ayudante médica del Hospital de la Marina, quien ha desempeñado dos giras médicas en Afganistán, luego de que la acusan de proporcionar ayuda médica ilegalmente a las víctimas del accidente.

Atascados en el aeropuerto de Dulles debido a inclemencias meteorológicas, DiNozzo, Bishop y su marido Jake trabajan en un caso de NCIS que involucra una amenaza terrorista en los aeropuertos del Noreste durante la oleada de viajes para el día de Acción de Gracias.

Tras una falla de Internet en toda la ciudad una semana antes de Navidad, el equipo de NCIS consulta con tres ciberterroristas que ellos mismos encarcelaron. Asimismo, McGee reflexiona sobre el caso y las infames reglas de Gibbs mientras escribe una sentida carta a su padre.

El equipo de NCIS debe investigar una serie de escenas de crímenes que parecen ser copias de casos anteriores. Asimismo, dos de las exesposas de Gibbs, una de las cuales el equipo aún no conoce, se presentan en una escena del crimen para hablar algo importante con él.

El equipo de NCIS busca a un terrorista local luego de que una misión de rescate en Siria revela que un ciudadano estadounidense estuvo involucrado en la captura de un trabajador social.

Gibbs y su equipo deben investigar el asesinato de un teniente de la Marina que estaba a punto de ser el primer miembro abiertamente gay en recibir la Medalla de Honor. También, al aproximarse la fecha de parto de su esposa, Palmer se prepara para la paternidad con un baby shower en NCIS.

DiNozzo regresa a la academia militar a la que asistió cuando adolescente luego de que encuentran a un marine y exalumno de la escuela asesinado y aferrado a la foto de un estudiante actual. Además, Bishop y su marido invitan a Gibbs y el equipo a una cena especial.

El equipo de NCIS sospecha que el archienemigo de Gibbs está detrás de una explosión en una cumbre por un evento de terror global. Gibbs decide quedarse fuera de la investigación con el fin de ayudar a un desconsolado Fornell, cuya vida está a punto de colapsar luego del asesinato de su esposa.

Una identidad encubierta creada para uno de los casos de Gibbs 20 años atrás reaparece después de que encuentran a una supuesta víctima de asesinato viviendo bajo ese alias.

Las pruebas de un caso de asesinato del NCIS revelan que una singular pintura prestada fue sustituida por una falsa. Esto lleva al padre de DiNozzo a compartir sus conocimientos y contactos del mundo del mercado negro de arte con el equipo.

Después de encontrar el cuerpo de un ladrón en la casa de un marine, el NCIS descubre la tarjeta de presentación de un grupo terrorista que Delilah y el Departamento de Defensa han estado rastreando.

El asesinato de un oficial menor saca a la luz una pista sobre un caso cerrado de un bombardeo en un aeropuerto hace 40 años, al que Gibbs y DiNozzo han estado asignados por los dos últimos años.

DiNozzo debe trabajar con su novia, la agente especial de la ATF Zoe Keates, cuando las pruebas demuestran que el arma del crimen en un caso de NCIS fue adquirida originalmente para la controvertida operación encubierta de la ATF "Operación rápidos y furiosos".

Gibbs y Bishop viajan a Afganistán luego de que el asesinato de un marine en Washington D. C. se vincula a un grupo terrorista que tiene a otro marine como rehén en el extranjero.

Ned Dorneget, agente especial de ciberoperaciones del NCIS, ayuda al equipo cuando asesinan a un alférez naval que trabajó en la Oficina de Inteligencia Naval. Matt Jones y Jamie Bamber son estrellas invitadas.

En el final de la temporada 12, NCIS investiga febrilmente a un grupo terrorista global que está reclutando adolescentes a través de Internet luego un bombardeo mortal en el extranjero que tiene como consecuencia una pérdida emocional y sorprendente para el equipo.

En el final de la temporada 12, NCIS investiga febrilmente a un grupo terrorista global que está reclutando adolescentes a través de Internet luego un bombardeo mortal en el extranjero que tiene como consecuencia una pérdida emocional y sorprendente para el equipo.