Dans le premier épisode de la 16e saison, un mois après l'enlèvement du directeur Vance, Gibbs se voit confier le rôle de directeur par intérim en l'absence de ce dernier pendant que l'équipe cherche à le localiser dans le monde entier.

Après l'assassinat d'un lieutenant de la marine dans son jacuzzi, l'équipe interroge plusieurs familles dans le curieux quartier de la victime. De plus, Torres doit faire face aux conséquences d'une nuit agitée avec Palmer.

Un agent du NCIS est sous le charme sur une explosion devant la maison du quartier-maître de première classe Todd Nicholas (Cameron Radice) et de sa femme, la vedette de télé-réalité Sheba Nicholas (Tara Holt).

Les vacances de Gibbs dans sa cabane isolée sont interrompues par une visite de Fornell et du capitaine de la marine Brooks, ainsi que par un appel du NCIS lui demandant son aide pour localiser un voleur qui se cache dans les bois près de chez lui.

Après la découverte d'un enregistrement vieux de 50 ans laissé par la victime d'un meurtre, l'équipe du NCIS tente de disculper Ray Jennings (Charlie Robinson), le Marine condamné à perpétuité pour ce crime.

Après l'arrivée du NCIS sur une scène de crime lors d'Halloween, Torres identifie le mort, un ancien ami du centre de formation des forces de l'ordre fédérales. Jimmy pense que des esprits hantent son laboratoire, car des objets bougent étrangement.

Après le vol d'une peinture murale réalisée par un artiste de rue activiste, l'enquête du NCIS mène à une conspiration concernant un entrepreneur de la marine et la sécurité des mammifères marins. Bishop partage un lien particulier avec l'artiste.

McGee et Bishop vont en Afghanistan un meurtre aux États-Unis est lié à une série de soldats tués par des tirs amis à l'étranger. Kasie quitte le laboratoire et accompagne Torres sur le terrain pour s'occuper des preuves médico-légales.

Lorsque le principal suspect d'un cambriolage non résolu et très médiatisé est libéré de prison, l'équipe du NCIS reprend son enquête avec une opération d'infiltration.

Les projets de vacances de l'équipe sont mis en suspens quand l'enquête sur le meurtre d'un vétéran de la marine entraîne la découverte d'un nouveau-né sans identité et sans lien apparent avec une famille.

Le secrétaire à la Défense des États-Unis, Wynn Crawford (Mitch Pileggi), met fin à l'enquête criminelle de Gibbs et exige que les agents spéciaux McGee et Torres soient arrêtés pour leurs actions dans cette affaire.

Un ami de la famille, le caporal Sydney, demande à Gibbs de l'accompagner pour trouver une plaque d'identité militaire disparue. Par ailleurs, un lieutenant de la marine placé sous la protection du NCIS est empoisonné par un trafiquant de drogue.

Après la découverte d'une fillette de neuf ans, mal nourrie et désorientée, cachée dans un garde-meuble, le NCIS rouvre une ancienne affaire de disparition. La fillette serait la fille d'une recrue de la marine disparue il y a dix ans.

L'équipe du NCIS enquête sur le décès d'un homme jeté par-dessus bord alors qu'il était sur un destroyer de la Navy. Torres est frustré par la mission de mentorat de Vance auprès de trois lycéens.

Jimmy est déchiré entre sa famille et son travail lorsque son beau-père, Ed (Larry Miller), lui demande de manipuler les preuves de l'enquête du NCIS en cours sur un meurtre.

Le directeur Vance est informé par le Pentagone que le sous-marin nucléaire à bord duquel Gibbs et Bishop se trouvent pour mener une enquête sur un meurtre a perdu tout contact radio.

Torres, couvert de sang et incapable de se souvenir des 12 dernières heures, s'en remet aux compétences en matière d'investigation de son équipe après s'être réveillé sur un bateau de pêche délabré.

Après le confinement barricadé d'un hôpital naval dû à une attaque par un tireur, l'équipe du NCIS recherche un suspect qui a fui la scène. Une personne du passé de Sloane se trouvait dans l'hôpital et est un témoin clé dans l'affaire.

Le NCIS enquête sur la mort d'une Marines qui aurait été tuée lors de l'attaque du Pentagone le 11 septembre 2001, suite à la découverte de restes humains sur un chantier. Une histoire personnelle avec la victime incite Gibbs à résoudre ce crime.

Après avoir entré l'ADN d'une affaire classée dans le système, Kasie résout une affaire de meurtre vieille de 30 ans, mais une faille dans le système juridique pourrait libérer le suspect.

Après la découverte par le NCIS d'un compte bancaire secret du gouvernement qui finance un réseau national de justiciers, l'équipe doit déterminer qui agit en tant que juge et jury.

L'équipe du NCIS enquête sur le meurtre d'un sergent des Marines aux États-Unis honoré comme héros de guerre pour ses efforts à l'étranger.

L'ancien agent du FBI Tobias Fornell supplie Gibbs de faire tout ce qui est nécessaire pour arrêter les dealers et les fournisseurs de drogue de la région après l'hospitalisation de sa fille, Emily Fornell, suite à une overdose d'opiacés.