Sydney e Anna memorizzano un codice binario scritto da Milo Rambaldi. Sydney e Dixon vengono mandati in missione per sventare un complotto terroristico volto a eliminare l'Organizzazione del Commercio Unito. Francie sospetta che il suo ragazzo la stia tradendo, mentre Will continua a indagare sul mistero dell'omicidio del fidanzato di Sydney.
Gibbs è alle prese con un pazzo che uccide riproducendo le stesse scene del crimine in cui sono morte persone a lui care. Per una strana coincidenza, riappaiono nella vita di Gibbs due sue ex mogli…
Dopo la morte di due giovani marines in un attentato, Gibbs e la squadra continuano la caccia al terrorista Sergei. Forne ll è ancora alle prese con la morte della sua ex-moglie…
Sydney e Nadia discutono sul comportamento paterno di Sloane.
Un tecnico dell'N.C.I.S., a Mosca per riportare in America il corpo dello zio defunto, chiede aiuto all'ambasciata, ma l'elicottero sul quale viene fatto salire viene abbattuto da un missile…