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海军罪案调查处
第四季被称为'秘密之季'，团队揭开了很多隐藏的秘密，包括角色们的过去和各种阴谋。
Ziva偶然目睹了一场政治性暗杀的全过程。Gibbs正享受著退休生活，因此Ziva只能獨自处理自己出現在現场这一巧合。她知道FBI正到处搜索自己，因此躲藏起来。現在由Tony帶領的NCIS小組努力證明Ziva的清白。然而當事态變得更複雜，Ziva只得向一直相信她的人—Gibbs求助
Fornell逮捕的一个囚犯越狱了，他找到Fornell说是被陷害的，要求重启案件调查。Gibbs中断退休生活回来帮助他解决危机。调查期间向一个退休海军—逃犯入狱后唯一一个保持联络的人问话。整个调查过程引向了一个意想不到的结果。
一輛被遗棄的車輛上遍佈血跡，这輛車屬於一个失蹤的海军中尉。調查中發現这个失蹤的中尉一直在剖析男人、希望能篩選出一个理想的結婚对象。他们还發現中尉曾經到一个酒店參加相親聚会。为了發現更多线索，Ziva喬裝打扮去參加那个聚会。剛完成心理學學位的Ducky忙著展示自己的新學问、对Ziva见到的男人逐一进行分析。Jenny私底下向Tony提供了一个職位。
警察逮捕一个持有武器的男人时，一倆載有尸体的車撞向了警車。被逮捕的男人是俄羅斯人，而国土安全局聲稱該男子是为他们工作的。这个俄羅斯人和Gibbs前上司Mike Franks 以前辦的一个舊案子有关聯。Mike 中斷退休生活回来將他繩之於法。
房屋仲介帶客人看房子时，在空屋裏發現一名失蹤準下士的尸体。NCIS發現他最初被埋在后院然后又被挖出来。識别身份后，他们發現下士是被派往伊拉克服役的，但卻始終沒有去報道。接著他们又發現了新线索—下士竟然有兩个未婚妻。Abby分析这兩个女子的DNA，希望找出哪个能与尸体上發現的DNA吻合。
万聖节的夜晚，一海军士兵在家中遇襲，女儿被綁架，綁匪索要贖金。NCIS接報到场，展開調查。在調查过程中，他们發現这对夫婦已經分居，而妻子是有外遇的人。調查重点放到妻子的前男友身上，但審訊后一無所獲。
海军上校在基地裏的高爾夫球场打球时，突然被炸得粉碎。NCIS聯同陸军罪案調查处一起調查疑似恐怖襲击。接到CIA提供的线索后，他们一起去到一个廢棄的倉庫，隨即發現是个陷阱，这个倉庫已經安放好定时炸彈了！Mcgee运用他高超的電腦技術駭进了政府的秘密檔案裏，發現了恐怖組織的基層架構。
海军高层在酒店举行酒会，一个被授予荣誉勋章的退伍老兵从天而降。NCIS展开调查，他们发现这个老兵并不是自杀的，而且退伍之后一直无家可归、是个流浪汉。在清点他的个人物品时，发现了一些对他不利的证据，但Gibbs决心证明他的清白。
Mcgee的妹妹Sara神智不清、滿身鮮血地出現在他家門口。为了幫助心愛的妹妹，Mcgee不惜冒失去工作的危險、沒有按規矩上報。Mcgee努力的想找出妹妹身上發生了什么事，与此同时，NCIS接到了一个海军士兵被杀案，種種线索都引向Sara，情形相當不利 Tony和Abby都忙於解決自己的感情问题，而Mcgee貌似有另外一个秘密。
在施工人员清理海军基地某建築的暖氣管道时，發現一具烧焦的木乃伊。NCIS与FBI一起調查这个案件。識别身体后，惊人地發現这具尸体竟然是連环杀手。大隊人馬去死者家中調查，發現了令人震惊的事情
名为“OTTO"的人工智慧机器車輛將一海军上尉鎖在車廂內並釋放一氧化碳將她杀害。这个智慧車輛的研究是国防部高科技項目的組成部分。將車輛拖回車庫研究的Abby，幾乎也被該車謀杀。隊员们努力找出谁是这一連串謀杀行动的幕后真兇。Tony頻繁造訪醫生，Ziva暗自擔心不已
一名海军高级情报员在汽车旅馆的小房间内被杀。NCIS接报到场寻找真凶。由于死者于三天前遇害，小镇的警察局声称完成了对现场的证据收集分析工作。但Gibbs发现案件另有玄机，可能于恐怖袭击有关联，他坚持用自己的方式调查案件，不让小镇当局当作普通案件处理。
一名男人被关在电路房里离奇死亡，尸体温度还很高，经后续调查发现十公斤高浓度化学毒气武器落入被通缉的恐怖分子Mamoun Sharif手中。在Mann帮助下，NCIS试图在他发动恐怖袭击前找到并阻止他。
抓到一个国际武器交易家后，NCIS得知海军的机密武器系统將被賣給一个外号为“La Grenouille”的武器交易家。为了能有證据和理由抓捕“La Grenouille”，他们決定派出Ducky作为臥底，達成交易，以此为理由抓捕他。与此同时，他们發現CIA也參与了这个案件，而且CIA另有打算。
NCIS正在调查Davidson士官的谋杀案，Davidson死于一种强效毒药。这些线索通向一家时尚的夜总会，主要是富人和美女经常光顾。Tony正在和地方警察卡森一起处理这个案子。与此同时，他也有私人问题：他的女朋友珍妮仍然接到前男友的电话！
国际原子能机构的调查员一名海军上尉被人暗中用放射性物质毒害，NCIS致力找出真凶。上尉声称只有他的两个同事知道他的下一个任务。无论凶手是谁，目的都是阻止他进行下一步调查工作。真凶迟迟未找到，身在医院的上尉竟继续出现中毒现象，变得越来越虚弱。在相处中爱上他的Ziva痛苦不已。
军用陵墓的墓室工作人员查看时，墓室竟炸开，满地都是肢体残骸和尸液，场面极度恶心。NCIS接案后，要辨认出残肢的身份、找到他们在世的亲人，从而找出受害者间的联系、缩窄嫌疑人的范围、找出是谁犯下如此恶行。Abby遇到个人问题，而唯一能倾诉并为自己解答的人是Gibbs。
一个被认为已经冻死的海军在Ducky的验尸台上复活。NCIS研究他最近几天的活动情况，试图找出在他身上发生什么以及谁要致他于死地。随着调查的进行，他们发现受害者通过货运机穿梭于巴格达和美国之间。并发现一些与Gibbs过去有关的事情。
Gibbs的小组在周末与探员Paula Cassidy的小组调休。Cassidy的小组接到匿名电话举报，尾随可疑人物进入可能是恐怖组织开会的地点。结果这是个陷阱，目标地点发生爆炸，小组除了Cassidy外无一生还。Cassidy内疚不已，认为是自己的错。Gibbs的小组也很自责，努力找出幕后黑手。
一连串命案接连发生，而死者都是Mcgee新书中角色的原型。也因为这样，Mcgee感受到非常大的压力，并且有很深的罪恶感。
