Donnie cerca di aiutare un'eroica donna soldato che soffre di disturbi neurologici, ma il suo tentativo finisce per complicare ancora di più le cose. Nel frattempo, Pierce riceve una sorpresa inaspettata quando ricompare una sua vecchia fiamma.
L'agente dell'FBI Kate Moretti chiede al dottor Daniel Pierce di verificare la salute mentale di un uomo che ha ottenuto un nuovo processo per omicido. Ma l'udienza subisce una svolta inattesa e sorprendente quando Pierce pone il quesito se l'uomo processato sia lo stesso di sei anni prima. Nel frattempo, Moretti ha la spiacevole sorpresa di scoprire che l'assistente del Procuratore Distrettuale che segue il caso è il suo imminente ex marito Donnie Ryan.
La detective Moretti viene accusata di abuso di potere nella gestione di un caso delicato. Pierce e Donnie cercano in tutti i modi di scagionarla, ma le prove a suo carico portano la stessa Kate a dubitare della propria innocenza.
Il Segretario Jarvis assegna a Tony il compito di investigare sulla morte di un Capitano della Marina trovato con un'incisione sul braccio. Gibbs, Ziva e McGee cercano di capire la ragione che si nasconde dietro l'assenza di Tony dall'ufficio…
L'intera agenzia N.C.I.S. si trova ad affrontare un attacco terroristico che minaccia di distruggere la Marina Americana. Intanto, il matrimonio di Palmer si avvicina…
