La série compte à ce jour huit saisons composées de vingt-trois à vingt-cinq épisodes (sauf la saison 5 avec dix-neuf épisodes). Le 2 février 2011, la série est renouvelée pour une neuvième saison. Les acteurs Mark Harmon, Michael Weatherly, Pauley Perrette, Sean Murray, Rocky Carroll, David McCallum et Brian Dietzen seront de retour pour cette nouvelle saiso, le contrat de Mark Harmon est par ailleurs prolongé de deux saisons. Le contrat de Cote de Pablo est également renouvelé pour deux saisons (9 et 10).
Voici les faits marquants pour chacune des saisons ainsi que, le cas échéant, les arcs narratifs qu'elles contiennent.
Saison 1
Composée de vingt-trois épisodes, la première saison possède un arc narratif (ou « fil rouge ») qui se met en place lorsqu'un terroriste prend le médecin légiste Ducky, son assistant Gérald et l'agent Kate en otage (épisode 16). Dès lors, Leroy Jethro Gibbs le traquera jusqu'à l'épisode final dans lequel il découvrira l'identité de cet homme : Ari Haswari. Mais là se posera un autre problème : Ari est un agent double du Mossad, infiltré dans une cellule terroriste, et protégé par le FBI.
Saison 2
Composée de vingt-trois épisodes, la saison marque l'arrivée d'un personnage récurrent, Jimmy Palmer, le nouvel assistant du Dr Mallard (déjà présent dans trois épisodes de la saison 1). Le fil rouge de la saison 2 s'inscrit dans la suite de celui de la première saison concernant Ari. Cependant, ce personnage se fait plus discret dans l'intrigue. Il réapparaît lors de l'épisode final pour tendre un piège à l'équipe et tuer l'un de ses membres, Caitlin Todd, ce qui va affecter durablement les agents du NCIS.
Saison 3
L'intrigue « Ari Haswari » se termine au début de cette saison de vingt-quatre épisodes quand Ziva David le tue en sauvant la vie de Gibbs. Elle entre dans l'équipe en tant qu'agent de liaison du Mossada 2. Dans cette saison, le seul fil rouge consiste en l'assistant temporaire d'Abby qui tente de tuer Anthony DiNozzo.
Saison 4
Le fil rouge de la quatrième saison de vingt-quatre épisodes concerne Tony et Jeanne, sa nouvelle petite amie avec qui il semble avoir une relation sérieuse. Cette relation est très apparente puisqu'elle transparaît dans quasiment tous les épisodes. Un second fil rouge est disséminé dans cette saison, qui porte sur un trafiquant d'armes, « La Grenouille », envers qui Jenny (la directrice du NCIS) semble être rancunière ; elle place donc Tony DiNozzo en couverture auprès de celui-ci. L'épisode final relie les deux affaires, révélant au téléspectateur que Jeanne est la fille de La Grenouille.
Saison 5
La cinquième saison, composée de seulement dix-neuf épisodes en raison de la grève des scénaristes de 2007, reprend le fil rouge de la saison 4 là où il s'était arrêté, uniquement pour les deux premiers épisodes, qui clôturent cette histoire. Celle-ci est mentionnée dans le deuxième épisode car Tony a du mal à se remettre de sa séparation avec Jeanne. Jennifer Shepard décède lors d'un échange de tir avec des hommes de main d'une ennemie Russe. Lauren Holly quitte donc le casting, laissant sa place à Rocky Carroll qui interprète Leon Vance dans la saison suivante.
Saison 6
Ancien directeur adjoint, Leon Vance succède à Jenny Shepard au poste de directeur du NCIS. La saison 6 (la plus longue avec vingt-cinq épisodes) installe un nouveau fil rouge dès le premier épisode. Il concerne la présence d'une taupe au NCIS. Alors que cette affaire semble résolue, il s'avère en fait qu'il n'en est rien et que la taupe n'est autre que l'agent Lee. Ce fil rouge est cependant bouclé assez rapidement et laisse place à un arc narratif centré sur Ziva : un de ses anciens collègues du Mossad est envoyé en infiltration et se retrouve face à la jalousie de DiNozzo. Lors d'une confrontation, ce dernier tue l'agent du Mossad en légitime défense. Ziva ne pouvant plus faire confiance à Tony, elle retourne en Israël.
Saison 7
La septième saison, de vingt-quatre épisodes, clôt tout d'abord le fil rouge centré sur Ziva : celle-ci ayant été capturée par des terroristes somaliens, l'équipe du NCIS part la sauver. Un nouvel arc narratif est installé, concernant cette fois une vengeance du Colonel Bell, évadé de sa prison au Mexique dans l'épisode 11. Au final Bell s'en prend aux proches de Gibbs, et lorsque ce dernier se rend au Mexique pour protéger son ancien mentor Mike Franks, il découvre Bell, tué par son bras droit : Jason Paul Dean. Gibbs est ensuite enlevé et ramené à Paloma Reynosa et Alejandro Rivera, frère et sœur. Ceux-ci ne sont autres que les enfants de Pedro Hernandez, l'assassin de la fille et de la femme de Gibbs, que ce dernier a tué. Ils veulent faire de Gibbs leur informateur sur les enquêtes du NCIS, sans quoi ils s'en prendront à ses proches, notamment son père. Paloma met en application sa menace sur les proches de Gibbs. Le fil rouge continuant la saison suivante.
Saison 8
Le premier des vingt-quatre épisodes de cette saison clôt le fil rouge de la précédente mais en installe un nouveau à la fin de l'épisode quand Leon Vance reçoit un message du père de Ziva et directeur du Mossad, Eli David qui dit : « Je l'ai trouvé » (« I Found Him »). Plus tard dans la saison, l'équipe de Gibbs va se trouver face à un tueur en série appelé « Port-to-Port Killer » (Le tueur de Port à Port). Pour traquer ce psychopathe, le casting de la série s'élargit à une seconde équipe récurrente du NCIS.
Saison 9
Le 2 février 2011, le renouvellement de la série est annoncé. La saison 9 sera diffusée à partir du 20 septembre 2011 aux États-Unis et à partir du 19 septembre 2011 sur Global au Canada, soit 24 heures avant la diffusion aux États-Unis.
