Un ufficiale della marina addetto alla custodia della nuclear football muore a bordo dell'Air Force One dopo aver pranzato con il presidente, apparentemente per un ictus cerebrale. Il coroner impedisce la rimozione del cadavere fino all'analisi del medico legale, mentre l'agente dei servizi segreti Kate Todd (in servizio di sicurezza sull'aereo) e l'agente FBI Tobias Fornell litigano sulla competenza del caso. Arriva quindi il dottor Mallard, con Gibbs e DiNozzo che si fingono suoi assistenti. Fatti scendere gli agenti FBI dall'aereo, Kate scopre che i tre non sono della polizia locale ma Gibbs la convince a collaborare con l'NCIS e lei fa partire il velivolo verso Washington. In volo iniziano le indagini, senza successo. L'autopsia e le analisi che seguono non rilevano tossine e la morte sembra un ictus naturale. Gibbs non è convinto e chiede a Kate di farlo imbarcare per il proseguimento del volo presidenziale, che durante le indagini continua sul velivolo di riserva. La scoperta della morte con gli stessi sintomi di un altro ufficiale al momento in malattia, anch'egli addetto alla valigetta e che aveva una storia con Kate, spinge ad analisi speciali che rilevano una tossina che provoca l'ictus. Gibbs intuisce che l'omicidio potesse essere parte di un attentato, costringendo a spostare il presidente sul velivolo di riserva, nel quale è più facile accedere all'armeria. Mentre un'altra emergenza medica crea confusione a bordo, Gibbs ferma un giornalista che ha preso un'arma e cerca di avvicinarsi allo studio del presidente. Al termine della missione, Kate si dimette dai servizi segreti per avere violato la regola che impedisce relazioni sul lavoro, e viene invitata da Gibbs a entrare nell'NCIS.