L'indagine di Los Angeles continua e spunta il nome dell'agente del Mossad Michael Rivkin, l'amante di Ziva. Tony quindi si trova costretto a mettere in discussione la sua fedeltà all'NCIS. Nel frattempo, a Los Angeles, l'agente speciale Callen cerca di infiltrarsi sotto copertura nella cellula terroristica, e lo psicologo Nate Getz, scopre la verità sul rapporto tra Gibbs e l'agente speciale Lara Macy. Alla fine tutti i componenti della cellula vengono uccisi, Rivkin prende il volo per Tel Aviv e McGee e Gibbs possono ritornare a Washington. Nelle scene finali però si vede che all'agente Callen sparano per strada, ferendolo in modo grave.
