在第四季的开始，Gibbs从NCIS退休去了墨西哥，团队现在由Tony负责。Ziva因为在偶然间目睹了一场政治暗杀的全过程，而被联邦调查局怀疑是双重间谍认定她就是凶手，Ziva被迫成为罪犯开始逃亡。 Tony发现自己的领导能力受到了极限考验，因为他和团队的其他成员将自己的职业生涯置于危险之中，决心在联邦调查局逮捕Ziva之前证明她的清白。

新任海军部长Clayton Jarvis交给了Tony一个关于微型芯片的秘密任务，并下令让他对NCIS探员Cade进行调查。Tony利用EJ找到了失踪的Cade，但神秘杀手Casey Stratton早已为他们设下陷阱。 Cade当场身亡，EJ不知所踪，Tony也因为重伤失去了部分记忆。Gibbs希望心理医生Rachel Cranston能和他谈一谈，Rachel医生建议Tony试着从他的秘密任务开始回忆……

故事紧接着上一季“死亡天使”之后的情节，Tony 仍以 Anthony DiNardo 的身份进行卧底，并遇到了 Jeanne 的父亲 La Grenouille，Grenouille 知道 Tony 的真实身份。Tony 借口要移动他的野马车，在监控录像中，大家目睹了 Tony 的汽车爆炸。随后，Ducky 的分析表明，被找到的可能是 Tony 的尸体，然而却又在哪里有着一些问题……

在本季的开篇，女毒枭 Paloma Reynosa 在位于宾夕法尼亚州斯蒂尔沃特的商店里与 Jackson Gibbs 进行对质。随后，她的手下开枪扫射了商店，混乱中 Jackson 乘机从地窖后门逃走，去到华盛顿和儿子住了数月。时间一长，Jackson 开始感到有些无聊，打算回去重新开店。深夜时分，Franks 秘密来到 Gibbs 的家里，他和 Gibbs 一边喝酒一边述说着过往发生的事情。

海军上校Watson刚来到他的办公室，随后电脑里传出了一个奇怪的声音，告诉他他的妻子和女儿Sandy已经被绑架，必须拿出200万美元才能救她们。Watson上校被摄像监视着不能移动，于是他偷偷向NCIS求助。 Kate和McGee来到上校的家里，发现这对母女是被人给骗走的。Gibbs授意Watson上校让绑匪释放他的女儿。Sandy虽然是个盲人，但是却有着超乎寻常的听力，她听出了绑架地点，可绑匪显然不是主谋……

故事围绕着位于华盛顿海军基地特区外地办事处的一个虚构的海军刑事调查小组展开，结合军事和刑侦探案的元素，主要讲述了美国海军罪案调查处探员们的日常生活。 无论是调查谋杀还是间谍活动，NCIS都会走向全球，寻找通过海军或海军陆战队的联系解决所有犯罪。在空军一号上，一名海军指挥官突然离奇死亡。由于管辖权问题，海军罪案调查处的吉布斯不得不与一名特勤局特工共同调查此事。 虽然指挥官的死最初被认为是一场悲剧事故，但NCIS最终还是发现了证据，表明他实际上是被人谋杀，而这很可能与对总统的暗杀企图有关。