Sloane invia Sydney e Dixon a Madrid per recuperare un codice, al quale però è interessata anche un'agente russa, rivale di Sydney. Will continua ad indagare sulla morte di Danny, mentre Francie ha dei problemi con Charlie, il quale potrebbe avere una relazione con un'altra donna. Michael Vaughn è stato sostituito.

Sydney aiuta Shepard a fuggire dall'ospedale e viene a sapere che si tratta del killer di Danny. Sloane scopre che il virus nei computer della SD-6 è stato impiantato da qualcuno all'interno della divisione. Jack racconta alla figlia i retroscena che 20 anni prima condussero alla morte di sua madre Laura.

Sydney e Dixon si recano a Las Vegas per indagare su un agente che potrebbe avere avuto dei legami con il gruppo di Cole. McNeil esorta Will ad indagare su di un software che potrebbe fornire una importante lista di utenti. Syd scopre che Charlie, mentre stava con Francie, è uscito con un'altra.

Mentre è impegnata in una nuova missione a Vienna, Sydney si imbatte in una sua vecchia fiamma, nonché altro agente, Noah Hicks, che l'ha piantata cinque anni prima. Jack consulta uno psichiatra, dopo aver scoperto che sua moglie Laura è ancora viva. Will e Francie cominciano a nutrire alcuni sospetti su Syd.

Dopo 20 anni, Jack e Laura si rivedono per la prima volta. Will incontra Vaughn, il quale lo sottopone ad una seduta di ipnosi regressiva. In una nuova missione, Syd deve battere in astuzia Sark, il suo nemico giurato. L'obiettivo è un carillon, il cui suono è in realtà un codice numerico.

Jack decide di fare un grande sacrificio quando la fiducia di Syd nei suoi confronti sta per venire meno. Sydney e Vaughn sono stati esposti ad un mortale virus mentre si trovavano a Taipei. Ancora ossessionato dai suoi demoni, Sloane comincia a crollare. Vaughn chiede aiuto a Will per risolvere un caso.

Jack incontra Ariana Kane, un'agente dell'Alleanza mandata per investigare sulle circostanze che hanno condotto alla scomparsa di Emily Sloane. Marshall deve affrontare la sua prima missione insieme a Sydney. Will si sottopone ad un test psicologico della CIA, mentre Francie diviene sospettosa.

Dopo aver sgominato l'intera rete dell'Alleanza, Sydney, Vaughn e Jack devono stabilire se l'agente Lennox, la cui missione sotto copertura è appena stata compromessa, dice la verità oppure sta mentendo.

Sydney deve decidere in merito al suo futuro. Sloane le rivela di avere sempre saputo la verità e di averla usata per liberarsi una volta per tutte dell'Alleanza. L'uomo intende scoprire cosa si cela dietro una nuova invenzione di Rambaldi e si serve di un brillante scienziato che è stato minacciato.

Syd va ad abitare in un appartamento vicino a quello di Weiss e decide di non rivelare quanto ha scoperto sul suo conto. Dixon le consiglia di entrare in terapia. A Monaco, Brystow recupera un pacco contenente la testa di un agente CIA. La Convenzione vuole scambiare un prigioniero con Sark. Vaughn torna all'agenzia.