Le directeur Leon Vance, qui a succédé à Jenny Shepard depuis plusieurs mois, est maintenant confortablement installé à son poste. Mais Gibbs fait des découvertes intéressantes sur son passé. L'agent DiNozzo, poussé par Gibbs, prend confiance en lui. Son supérieur lui confie même la direction d'une enquête. Quant à Ziva David, elle se retrouve dans une situation compliquée lorsque le NCIS croise le Mossad sur sa route.

La sede del NCIS di Washington è compromessa da una talpa che si scoprirà essere l'agente Michelle Lee. Ma il filo conduttore vero e proprio della stagione è legato a Ziva e ad un agente del Mossad, Michael Rivkin, in missione segreta negli Stati Uniti. Tony si dimostra spesso geloso del nuovo amico di Ziva e a fine stagione, in seguito ad una colluttazione egli lo uccide. In seguito, per non danneggiare i rapporti diplomatici con Israele la squadra parte. Qui Tony viene interrogato da Eli David, padre di Ziva e direttore del Mossad e grazie alle parole giuste riesce a mantenere intatti i rapporti fra le due agenzie ma Ziva delusa dal comportamento di Tony decide di rimanere in Israele mentre il resto della squadra ritorna a casa. Viene anche rivelato che anni prima era stato proprio Eli ad inviare Ziva per uccidere il fratellastro, sperando che potesse legarsi a Gibbs e alla sua agenzia. Nella scena finale Ziva è legata ad una sedia e un uomo misterioso cerca di estorcerle delle informazioni sul NCIS.

Den sjätte säsongen av NCIS hade premiär den 23 september 2008. Och det som ytterst skedde under säsongen var att den nya NCIS chefen Leon Vance (Rocky Carroll), och man introducerade en ny återkommande rollfigurer i NCIS Agenten Michelle Lee. Och man avslutar förra säsongens cliffhanger med att både McGee, Ziva och Tony åter ingår i Gibbs team.