Sex självmordsförbrytare och en afghansk säkerhetsvakt dödades. Minst 17 civila skadades.
En minibuss detonerade, men en annan bombladdad bil desarmerade, sa polisen.
Talibanerna, som har inlett flera uppmärksammade räder mot Kabul, sade att de låg bakom attacken.
BBC:s Bilal Sarwary i Kabul säger att det angripna området ofta är packat med civila som kommer för att hämta pass och nationella identitetskort på inrikesdepartementet.
General Zaher Zaher sa till BBC att klareringen är över.
Det drabbade området i centrala Kabul är kraftigt barrikaderat - och NDS-anläggningen, som också rymmer flera västerländska ambassader, är omgiven av höga, tjocka cementväggar som är utformade för att skydda den mot bomber.
En högre afghansk säkerhetstjänsteman berättade för BBC att angriparna riktade sig mot NDS-enheten där självmordsförövare och viktiga talibanbefälhavare förhörs.
NDS sa att en självmordsförbrytare körde en minibuss som exploderade utanför NDS-byggnaden.
Fem andra, beväpnade med halvautomatiska vapen och handgranater, kämpade sedan mot säkerhetsstyrkorna i 15 minuter innan de dödades av vakter.
Enligt NDS destillerades ett annat fordon som var packat med sprängämnen kort därefter.
Den största explosionen ägde rum runt middag lokal tid (07:30 GMT). En rökplym steg från området, och man hörde då skottlossning och polis sirener.
Ett ögonvittne, Mohammad Zia, berättade för Associated Press att fordonet med bomben inuti körde upp till portarna till den barrikaderade NDS-byggnaden och sedan detonerade.
Ett antal förstörda bilar kunde ses.
Butiksägaren Qais Ahmad sade till Reuters: " Jag var inne i butiken när jag hörde ljud och en enorm smäll. Alla fönster i min butik förstördes och skadade mitt huvud."
Angreppet kommer kort efter återkomsten från USA av president Hamid Karzai, som diskuterade framtiden för sitt land efter Nato-ledda trupper dra sig tillbaka i slutet av nästa år med president Barack Obama.
Onsdagens attack på ambassaden i Kabul är den första sedan november, då en självmordsbombare dödade två afghanska säkerhetsvakter och skadade tre.
Förra månaden skadades NDS-chefen Asadullah Khalid i en självmordsbombning i Taymeni-området i centrala Kabul.
Talibanerna sade att angriparen hade utgjort en fredsbudbärare.
Khalid har arbetat sedan september och har rykte om sig att vara våldsamt anti-talibansk.
Militanta grupper fortsätter att anfalla regelbundet i Afghanistan och ställer frågor om hur de afghanska säkerhetsstyrkorna kommer att klara sig efter 2014.
Självmordsbombare har attackerat en byggnad som tillhör Afghanistans nationella direktorat för säkerhet (NDS) i huvudstaden, Kabul, tjänstemän har berättat för BBC.