在施工人員清理海軍基地某建築的暖氣管道時，發現一具燒焦的木乃伊。NCIS與FBI一起調查這個案件。識別身體後，驚人地發現這具屍體竟然是連環殺手。大隊人馬去死者家中調查，發現了令人震驚的事情

名為“OTTO"的人工智慧機器車輛將一海軍上尉鎖在車廂內並釋放一氧化碳將她殺害。這個智慧車輛的研究是國防部高科技項目的組成部分。將車輛拖回車庫研究的Abby，幾乎也被該車謀殺。隊員們努力找出誰是這一連串謀殺行動的幕後真兇。Tony頻繁造訪醫生，Ziva暗自擔心不已

抓到一個國際武器交易家後，NCIS得知海軍的機密武器系統將被賣給一個外號為“La Grenouille”的武器交易家。為了能有證據和理由抓捕“La Grenouille”，他們決定派出Ducky作為臥底，達成交易，以此為理由抓捕他。與此同時，他們發現CIA也參與了這個案件，而且CIA另有打算。

一心想将Le Grenouille绳之于法的Jenny单独与一个线人会面。会面时，线人被人射杀，Jenny很懊恼。NCIS搜集现有的所有信息，企图抓住对手。

Jenny去法国参加国际会议，任命Gibbs做代理主任。但Gibbs对文书工作丝毫不感兴趣，一听到有命案发生就立马赶过去带领调查。该集命案是一辆开往NCIS的计程车上惊现尸体，最后发现一切都是个陷阱。

Jenny从欧洲归来后，国土安全局突然要对整个NCIS进行测谎。每个人深藏的秘密逐步揭示出来。Tony和Jeanne在医院里毫无防备地被一个丧心病狂的贩毒者挟持。

NCIS小组在追捕「青蛙」的任务中，揭发了一个重大的秘密，DiNozzo见到啦女朋友的父亲，这个任务扑朔迷离，有个充满爆炸性的过程。

「青蛙」的尸体终于浮出水面。FBI根据举报消息调查NCIS小组内全部的探员，希望找出谋杀「青蛙」的人，而DiNozzo的嫌疑最大。

林凱文士官與前未婚妻雪若剛解除婚約，雪若撞見林凱文與新歡親密吻別，燃起心中妒火，將士官殺害。NCIS小組將創下最快破案記錄？犯罪現場卻引發新的殺機，一名圍著綠色圍巾的女子，突然拿起兇刀，朝著達奇猛刺。

NCIS小組的追緝名單中，黑幫老大「強納森瑟拉佛」將現身？寇特在槍擊命案現場「報案」？曾給吉布斯一份凡斯處長個人檔案的他，與此案件有何關聯？寇特提供瑟拉佛犯案的證據給NCIS小組，可是這個犯罪首腦另有他人？

在新的证据显示，港口杀手已经渗透到该机构后，NCIS团队在一场追踪他的比赛中竭尽全力。

在NCIS第八季的大结局中，当NCIS成员与臭名昭著的港口杀手面对面时，他们的生命正处于危险之中。

NCIS团队与联邦调查局和军情六处一起，继续在国际上追捕一名逃跑的英国间谍，该间谍将一名同事留在重症监护室为自己的生命而战。

NCIS、联邦调查局和军情六处继续在国际上追捕一名逃跑的英国间谍，该间谍的目标是现任和前任特工。