Nach Kate Todds (Sasha Alexander) machen Leroy Jethro Gibbs (Mark Harmon) und sein Team – Tony DiNozzo (Michael Weatherly), Abby Sciuto (Pauley Perrette), McGee (Sean Murray) und Ducky Mallard (David McCallum) – Jagd auf ihren Mörder Ari Haswari (Rudolf Martin). Unterstützung bekommen sie von seiner Halbschwester, der Mossad-Agentin Ziva David (Cote de Pablo).
Im Hauptquartier steht derweil eine große Veränderung an: NCIS-Direktor Thomas Morrow (Alan Dale) wechselt zu Homeland Security und macht seinen früheren Posten frei für Jenny Shepard (Lauren Holly) – Gibbs' Ex-Partnerin...
Gibbs und sein Team müssen den Tod von Kate verarbeiten jedoch bleibt dazu nicht lange Zeit. Ari ist immer noch auf der Flucht und Gibbs verfolgt ihn verbissen. Ausserdem bekommt das NCIS eine Chefin: Stelle Jenny Shepard. Sie ist Gibbs alte Liebe und will ihn davon abhalten Ari umzubringen.
S03E02 - Das Duell – Teil 2
Gibbs wird von Ari in die Irre geführt damit er sich absetzten kann. Jedoch will er selbst auch mit Gibbs abrechnen und es kommt zu einem Showdown im Bootskeller von Gibbs.
S03E03 - Der Mann in der Todeszelle
Einen zum Tod verurteilten Mann, den Gibbs vor 10 Jahren verhaftet hat, will die Verstecke seiner leichen veraten wenn er dafür frei kommt. Zu allem Übel werden neue Leichen entdeckt die nach dem selben Muster umgebracht werden wie er es getan hat. Hat er einen Lehrling?
S03E04 - Sarg aus Eisen
Das Team um Gibbs herum wird nun durch Ziva wieder aufgestockt. Obwohl ihm das gar nicht gefällt, kann er nicht lange darüber nachdenken, weil eine Leiche aus dem Bürgerkrieg entdeckt wurde.
S03E05 - Rollentausch
Während den Ermittlungen an einem Polizeimord, steht der Ermordete persönlich vor dem Gibbs-Team. Wer war dann der erschossene beziehnugsweise warum hat er sich für jemanden ausgegeben der er nicht ist?
S03E06 - Voyeure im Netz
Ein Frau wird bei einem live stream die kehle durchgeschnitten. Abby findet aber heraus das es sich nur um ein Trickmesser handelt.
S03E07 - Projekt „Honor“
Der Captain wird am helligtem Tag in einem Park entführt, sein junger Sohn versändigt sofort das NCSI. Gibbs findet schnell den Grund für die Entführung heraus, der Captain hat an einem Forschungsprojekt gearbeitet und nur er weiß das Passwort dafür.
S03E08 - Goldherz
Tony und Ziva doubeln ein totes Killerpärchen, was sie aber nicht wissen ist, dass das Pärchen aus dem Geschäft aussteigen wollten, was in dieser Branche meist tödliche Folgen hat.
S03E09 - In der Falle
Die abgetrennten Beine einer Frau werden auf einem Übungsgelände gefunden. Die Indizien legen nahe, dass der Mörder Tony ist. FBI-Agent Fornell bleibt nichts anderes übrig, als DiNozzo zu verhaften, bis Gibbs Tonys Unschuld beweisen kann.
S03E10 - Drei Kugeln
McGee erschiesst einen Verdächtigen der sich nicht ausweisen kann. Es stellt sich heraus das der tote ein Polizist im Kampf gegen Drogen war. Nun gilt es zu beweisen das McGee unschuldig ist beziehungsweise das es ein Unfall war.
S03E11 - Boot Camp Babes
Drei Supermodells in einem Bootcamp, das sollte die Reality Show werden. Problematisch ist dann nur wenn eines der Modells vollgepumpt mit Drogen Tod an einem Zaun hängt. Sie war früher schon mal Drogensüchtig, war das ein Rückfall oder hat jemand nachgeholfen?
S03E12 - Spur des Geldes
Tony und Ziva suchen im Hafen von Norfolk einen Container, in dem Waffen und Sprengstoff geschmuggelt werden. Bei einem Schusswechsel mit Gangstern werden sie in einem Container eingeschlossen.
S03E13 - Ein langer Sonntag
Ein weiblicher Commander meldet sich telefonisch und meldet das sie Entführt wurde. Vorerst dachte man es liegt daran, da sie in einem Nukleartransport involviert ist, doch es ging um etwas ganz anderes.
S03E14 - Schläfer
Auf dem Navy-Stützpunkt in Quantico werden die Leichen zweier koreanischer Frauen gefunden. Beide waren mit Marines verheiratet. Gibbs und sein Team vermuten Familienstreitigkeiten hinter den Morden.
S03E15 - Kopfsache
Als das Team um Gibbs eine Marine Werkstatt hochnimmt, da man dort illegal Autoteile verkauft, entdecken sie nicht nur diese, sondern auch Leichenteile.
S03E16 - Familiengeheimnis
Die Leiche eines Mannes wird in einem Krankenwagen transportiert der dann explodiert. Das Team um Gibbs glaubt an unmögliche Zufälle, doch Gibbs hat schon eine eigene Theorie.
S03E17 - Bärenjäger
Im Shenandoah National Park wird die von einem Bären angefressene Leiche eines Petty Officers gefunden, der dort mit seiner Freundin gezeltet hatte - die Frau ist spurlos verschwunden. Ducky stellt bei der Obduktion fest, dass der Officer mit einem Messer erstochen und dann mit einem Duftköder für Bären eingesprüht wurde, bevor er in die Pranken des Tieres geriet. Bald haben Gibbs und seine Leute einen Verdächtigen ausgemacht: den rassistischen Hinterwäldler Jason Edom.
S03E18 - Der letzte Sonnenuntergang
Ein Junge geht mit einer Bombe in die Schule und nimmt seine Mitschüler als Geiseln. Seine einzige Forderung ist seine Mutter zu sehen, das Problem daran ist nur das die schon Tod ist. Als dann auch noch Gibbs einige Schüler gegen sich austauscht spitzt sich die Lage immer mehr zu.
S03E19 - Tot im Eis
Vier Leichen in einem gefrorenem See, darunter ein Marine und 3 Gangster. Dieser Massenmord erninnert an einen älteren Fall und lässt Rache vermuten. Nach und nach geht die Folge aber doch in eine ganz andere Richtung.
S03E20 - Das Leck
Lara Hill, Lieutenant der Navy und Kryptographin im Pentagon, wird tot in ihrem Haus aufgefunden. Die Zeichen deuten auf Selbstmord hin. In ihrer Abteilung wird schon länger ein Maulwurf vermutet und Gibbs’ Team findet in Laras Haus deutliche Hinweise, dass sie dieser Maulwurf gewesen sein könnte. Doch der Schein trügt.
S03E21 - Typisch Montag
Abby wird seit Tagen von einem Stalker verfolgt und hat sogar Morddrohungen erhalten. Gibbs und das NCIS-Team nehmen die Spur auf und können bald den Verdächtigen, einen ehemaligen Liebhaber Abbys, verhaften. Abby ist erleichtert, aber der Verdächtige beteuert hartnäckig seine Unschuld.
S03E22 - Brüder
Nach der Verhaftung eines Drogendealers stirbt der Mann während dem Verhör mit Ziva. Sie sagt sie habe ihn nicht hart angefasst jedoch kann sie es nicht beweisen. Zu allem übel entführt der Bruder des Drogendealers die Direktorin des NCSI, um die Freilassung seines Bruders zu erpressen und das ganze nichtsahnend das sein Bruder tot ist.
S03E23 - Fünfzehn Jahre
Gibbs geht Hinweisen über einen philippinischen Terroristen nach und gerät in eine Falle. Er überlebt schwer einen Bombenanschlag, fällt in ein Koma und in ein schweres Trauma.
S03E24 - Semper Fi
Gibbs wacht aus seinem Koma auf erkennt aber keinen. Er denkt er sei ein Marine, um ihm auf die Sprünge zu helfen, lässt Jenny seinen alten Chef aus Mexico zu ihm bringen. Dabei erfährt das Team auch ein dunkles Geheimniss über Gibbs.