Gibbs lucha por su vida a bordo de un barco hospital después de recibir un disparo, mientras que DiNozzo y Joanna Teague viajan a Shanghái para tratar de desmantelar al grupo terrorista The Calling, en el estreno de la 13.ª temporada de NCIS.

Gibbs solicita al equipo que ayude al agente de la DEA Luis Mitchell (Juan Gabriel) con un caso al que constantemente le pierden el rastro. Sin embargo, DiNozzo descubre que hay algo más en la conexión personal de Gibbs con el agente y su deseo de ayudarlo a tener éxito.

Después de que un infante de marina es encontrado muerto en Quantico horas después de llamar a Gibbs para discutir un posible caso, Bishop y McGee trabajan encubiertos como pareja casada para vigilar a un teniente de infantería de marina y su esposa.

Vance se asocia con Gibbs y regresa al campo para investigar un caso de asesinato relacionado con un exagente del NCIS que había encarcelado por robar evidencia.

Mientras visita un laboratorio farmacéutico por un caso de asesinato, Abby queda atrapada sin poder comunicarse con el mundo exterior después de que hombres armados se apoderan del edificio y retienen a todos como rehenes.

Cuando el asesinato de un oficial menor coincide con el modus operandi de un asesino en serie local, el equipo de NCIS debe determinar si el oficial la última víctima del asesino o si se trata del trabajo de un imitador. Además, McGee y Delilah deben aprender a ceder antes de mudarse juntos.

El caso de asesinato de un comandante de la marina retirado investigado por el NCIS obliga a Ducky a revelar su participación en una sociedad secreta que resuelve casos sin resolver.

DiNozzo se reúne con su exnovia, Jeanne Benoit, cuando unos insurgentes de Sudán atacan a un grupo de médicos voluntarios, incluido el marido de ella. DiNozzo y McGee viajan a la escena del crimen para seguir un caso conjunto de secuestro y asesinato y unirse a la búsqueda de los médicos perdidos.

Con el fin de limpiar su nombre, un oficial menor se ofrece a someterse a juicio militar si NCIS accede a realizar una investigación propia después de que su caso de asesinato se desestima debido a una orden mal manejada. Además, Bishop y Jake discuten sus problemas matrimoniales.

Con la esperanza de evitarle más tragedia a una familia, el secretario de la Marina pide a NCIS que ayude a un marinero que lucha contra la leucemia a localizar un trasplante de médula, después de que sus dos hermanos, ambos marines, mueren en el cumplimiento de su deber. Además, Bishop regresa a su casa de Oklahoma para pasar el Día de Acción de Gracias.

Después de que Ducky es atacado por un hombre que dice tener información acerca de su medio hermano, que murió hace décadas, el equipo de NCIS busca al autor, mientras que Ducky recuerda sus últimos días con su hermano. Además, ahora que las vacaciones se acercan, Bishop y Jake (Jamie Bamber) debaten sobre el futuro de su relación.

Después de que los pasajeros y la tripulación de un avión privado que viaja de Nueva Orleans a Washington D. C. son letalmente envenenados todas las pruebas señalan al chef desaparecido, el hermano de Abby, Luca. Gibbs y el equipo de Washington D. C. trabajan en conjunto con Pride y el equipo de Nueva Orleans para localizar a Luca y determinar por qué una empresa de tecnología fue atacada.

Mientras investiga el asesinato de un marinero que iba a testificar ante un gran jurado, el equipo de NCIS descubre el resurgimiento de una organización internacional de tráfico de personas. Asimismo, McGee espera poder pasar la noche en casa de un colega luego de que una tormenta provoca apagones masivos en la ciudad.

Cuando asesinan a un submarinista mientras trabajaba, su cuerpo y unos colaboradores sospechosos deben permanecer en una cámara de descompresión de alta tecnología durante cuatro días, de modo que el equipo de NCIS pueda completar una investigación poco ortodoxa desde el exterior del depósito.

Cuando la secretaria de la Marina Sarah Porter (Leslie Hope) descubre que su hija ha sido secuestrada, el equipo NCIS se asocia con el FBI para investigar el caso, determinar un móvil y devolverla a casa. Además, una amiga de la infancia de McGee, la agente especial del NCIS Valerie Page (Christina Chang), está en la ciudad para ayudar al equipo con avanzadas tácticas de entrenamiento.

El doctor Cyril Taft (Jon Cryer) experimenta la emoción de un caso NCIS cuando lo asignan como cirujano del sospechoso de Gibbs y encuentra pruebas clave. Además, DiNozzo visita a Jeanne Benoit (Scottie Thompson) mientras sigue una pista sobre unos médicos de Sudán.

Los planes personales de los agentes de NCIS se ven interrumpidos cuando cada una de ellos detecta errores en un caso que aparentemente estaba cerrado. Asimismo, McGee y Delilah (Margo Harshman) discuten sobre la importancia de no hablar de trabajo durante la cena, mientras que DiNozzo aburre a su cita con su charla trivial.

El equipo de NCIS revisa la emboscada a un grupo de operaciones especiales de francotiradores en Irak después de que una pareja estadounidense es atacada en la misma zona. Cuando Gibbs descubre que necesita la declaración del único sobreviviente, el sargento primero Aaron Davis intenta contactar al guerrero herido que está siendo tratado por estrés postraumático en el Centro Médico Walter Reed.

El equipo de NCIS debe cerciorarse de quién miente, la esposa o la amante, luego de que ambas mujeres se acusan mutuamente de asesinar a un oficial de asuntos públicos de la Marina. Asimismo, Anthony DiNozzo padre (Robert Wagner) ayuda a una mujer sin hogar que cree que él es su padre.

Después de que varios perpetradores roban la identidad de Tony, los falsos agentes especiales DiNozzo se dan a la tarea de chantajear senadores.

Gibbs y el agente senior del FBI T.C. Fornell (Joe Spano) se unen luego de que dos prisioneros británicos, uno de ellos un exespía, escapan y llegan a los Estados Unidos en un contenedor. Además, McGee está ocupado buscando apartamentos, determinado a averiguar cómo DiNozzo compró su lujoso hogar.

Cuando un niño de 14 años desbarata una invasión domiciliaria, Gibbs sospecha que el adolescente está ocultando detalles pertinentes. También, el director Vance y el agente senior del FBI Fornell viajan a Londres como parte del caso del escape del espía británico.

El equipo de NCIS, junto con el FBI y el MI6, continúan la cacería internacional de un espía británico fugitivo que ha dejado a un colega luchando por su vida en la Unidad de Cuidados Intensivos.

El NCIS, el FBI y el MI6 continúan una persecución internacional de un espía británico en fuga que tiene como objetivo atacar a agentes actuales y retirados, en el final de la 13.ª temporada.