Quand le lieutenant de la Navy Clea Thorson est retrouvé mort après avoir été renversé par un bus dans la rue, Ducky découvre des symboles chimiques et des codes écrits à l'encre noire sur tout le corps. L'autopsie révèle que Clea était lentement empoisonnée, la rendant malade mais aussi paranoïaque.

Un marine réserviste est retrouvé mort dans son jardin grâce à son chien. Le corps porte des traces de coups provenant d'un objet contondant, à l'arrière et sur le côté du crâne. L'homme a manifestement tenté de résister à son agresseur. Sa femme et son fils restent introuvables, ce qui inquiète Jethro et son équipe. Ils débutent leur enquête dans un bar où la victime avait ses habitudes.

Le NCIS mène l'enquête sur un tueur en série qui enveloppe ses victimes dans du plastique transparent. L'agent Barrett, qui tente de l'identifier depuis longtemps, participe aux investigations, ce qui déplaît fortement à Gibbs. Ziva présente Ray Cruz, son petit ami, à l'équipe. Celui-ci confie à DiNozzo qu'il est très épris de la jeune femme mais leurs relations se tendent lorsque Ziva découvre qu'il lui a menti.

En enquêtant sur le meurtre d'un lieutenant, l'équipe fait une étonnante découverte. En effet, Penelope Langston, qui n'est autre que la grand-mère de McGee, pourrait être impliquée dans ce crime. Elle était en contact secret avec la victime à propos de renseignements confidentiels concernant une entreprise de recherche, consacrée aux innovations militaires. Gibbs demande à McGee de faire parler Penelope.

Alors qu'ils visitent un loft, un couple de clients potentiels et un agent immobilier trouvent le corps d'une femme, abattue de trois balles. La défunte, Maya Burris, officier de la marine, effectuait des missions diplomatiques en Egypte et au Pakistan. Les agents du NCIS tentent de retrouver le meurtrier, tout en essayant de calmer le mari de la victime, un policier. Parallèlement, Ziva s'efforce d'éviter Ray, de retour en ville.

Un Marine est retrouvé mort et un autre, à proximité, complètement déboussolé... Ce dernier, le Capitaine Joe Westcott, encore sous le choc, explique que son camarade et lui ont été attaqués la veille au soir par une bande, apparemment sans raison. Mais très vite, les premiers résultats des analysés réalisées par Ducky et Abby sur le corps de la victime contredisent quelque peu sa version. Le comportement particulièrement agité de Wescott n'arrange rien mais révèle peut-être justement un syndrome de stress post-traumatique. Reste à savoir qui ou quoi a déclenché sa crise... et surtout à découvrir qui a tué le Lieutenant Michael Torres.

Un marine perd connaissance au cours d'un entraînement intensif et décède peu après. En observant les nombreuses blessures qu'il a sur le corps, Mallard acquiert la conviction qu'il a été passé à tabac. En épluchant ses mails, McGee comprend qu'il cherchait à se protéger d'une mystérieuse attaque. De son côté, Leon Vance fait une découverte surprenante en clôturant les comptes bancaires de sa défunte épouse.

L'équipe est sollicitée pour enquêter sur la disparition du mari d'un officier de la marine. D'après les indices et les traces de sang retrouvés à son domicile, la victime, un agent immobilier, semble avoir lutté avec son agresseur avant d'avoir été enlevé. McGee trouve un de ses doigts dans la poubelle de sa cuisine. Parallèlement, Vance découvre que Ziva fait des recherches non officielles sur le meurtrier de son père.