Un treno di pendolari diretto a Los Angeles esplode, un uomo ruba la valigetta da un passeggero sopravvissuto al disastro e poi lo elimina. Jack si è stato licenziato dal CTU e adesso lavora per il Segretario della Difesa, James Heller. Jack ha una relazione con la figlia di Heller, Audrey e il loro rapporto sta diventando una cosa seria. Bauer si trova a Los Angeles per un incontro con il direttore del CTU, Erin Driscoll, la donna che lo ha licenziato un anno fa. Una possibile minaccia terrroristica viene segnalata al CTU, ma Driscoll e il suo nuovo staff non includono Jack nelle indagini. Un giovane hacker di nome Andrew Page, è testimone di qualcosa su internet che non avrebbe dovuto vedere. Immediatamente Andrew si vede costretto a scappare per salvarsi la vita. Inseguito da un gruppo di terroristi, riesce a mandare un messaggio a Chloe O'Brien prima che sia troppo tardi. Gli Araz, una famiglia Turca, non sono ciò che sembrano e presto diventa chiaro che sono coinvolti con gli eventi della giornata. Nel frattempo Heller ha un confronto con suo figlio, dal quale si è allontanato. Jack cerca di provare che l'esplosione del treno è stata soltanto un diversivo e si rende conto che può contare solo sull'aiuto di Chloe.

Heller viene rapito e Jack cerca di convincere Driscoll a riassumerlo al CTU; Driscoll accetta ma Jack si ritrova nel ruolo di semplice subordinato. Insieme a una squadra operativa va a prelevare Andrew. Behrooz riceve il suo primo in carico e si trova in conflitto tra la lealtà dovuta alla sua famiglia e i sentimenti che prova per la sua ragazza. I rapitori di Heller annunciano le loro richieste attraverso internet e Heller cerca di rassicurare sua figlia.

Jack rintraccia Kalil grazie all'aiuto di Chloe, ma è costretto ad assistere impotente mentre Andrew viene torturato per ottenere informazioni. I genitori di Behrooz gli ordinano di portare Debbie a casa loro per interrogarla. Curtis decide di usare le maniere forti per interrogare il figlio di Heller mentre Driscoll continua a cercare Jack.

Jack prende drastiche misure per assicuare a Chloe il tempo necessario per ottenere la sorveglianza satellitare. Nel frattempo Driscoll comincia a sospettare di Chloe la quale chiede aiuto a Edgar. Behrooz scopre fino a che punto sua madre è pronta a spingersi per assicurare il successo della loro missione segreta. Heller e Audrey cercano di scappare dalla mani di Omar. Driscoll usa la sua influenza per affrontare una crisi personale.

In seguito a un errore commesso dalla polizia con Kalik, Jack e Driscoll raggiungono un accordo per lavorare insieme. Heller e sua figlia prendono una decisione drastica per evitare di affrontare la situazione in cui si trovano. Driscoll fa un accordo con Chloe per liberarsene mentre la famiglia Araz deve affrontare un altro problema che riguarda la loro copertura.

Jack è impegnato in una sparatoria rovente contro i terroristi per salvare Heller e Audrey prima dell'intervento dei militari. Il marito di Dina svela i suoi piani per Behrooz e Dina comincia a dubitare della sua fede alla causa. Driscoll e Curtis scoprono ulteriori prove che guidano a un massiccio attacco terroristico. Audrey incontra suo marito con un certo imbarazzo, mentre Heller si scontra ancora una volta con suo figlio.

Jack porta Audrey al distretto per il riconoscimento di un sospettato, ma i terroristi arrivano subito dopo e li tengono in trappola. Jack si rivolge a un vecchio amico per riuscire a scappare. Heller mette Edgar al comando per gestire una situazione con una possibile minaccia nucleare. Nel frattempo la figlia di Driscoll prende una brutta strada. Dina viene ferita quando aiuta Behrooz a scappare da Navi. Il boss di Navi gli ordina di uccidere sua moglie e suo figlio prima che il giorno finisca.

Jack e Tony riescono a scoprire l'ubicazione di Dina, ma Behrooz riesce a sfuggirgli tra le mani. Dina richiede un 'perdono totale' per suo figlio in cambio di informazioni utili. Edgar è preso dall'angoscia perché sua madre si trova nella zona che verrà colpita dal fall-out radioattivo. Behrooz si rivolge a suo zio per chiedergli aiuto, ma Navi riesce a sorprenderlo prima che lui possa fuggire.

Jack e Audry scoprono che il marito di quest'ultima è probabilmente coinvolto con i terroristi, mettendola in una posizione alquanto sgradevole. Marianne offre di rivelare a Curtis il luogo dov'è nascosto l'ordigno in cambio di una sentenza più mite. Tuttavia le cose evolvono velocemente e Curtis scopre che c'è un altro giocatore che sta tirando le fila. Sarah sta contrattando per ottenere una posizione più solida all'interno del CTU, nel frattempo Tony si occupa personalmente dell'interrogatorio di Dina e Behrooz.

Jack e Curtis riescono finalmente a scoprire dov'è situato il congegno e cercano di intrappolare il leader che si nasconde dietro all'attacco terroristico prima che le centrali nucleari raggiungano il punto critico di non ritorno. Tony spinge Dina a rivelare ulteriori informazioni su Marwan mentre Driscoll è impegnata in un'altra crisi famigliare.

Jack e Paul si recano dal responsabile dell'assunzione di Marwan, ma i dirigenti della compagnia, preoccupati di ciò che potrebbero affrontare pensano bene di distruggere tutte le prove che potrebbero essere utili al CTU. Driscoll, sconvolta dal dolore decide di abbandonare il campo e Heller, per il momento, decide di mettere Tony a capo dell'unità.

Jack e Paul sono costretti a reclutare dei civili per sfuggire ai soldati inviati da McLennan-Forster per ucciderli. Tra Tony e Michelle si crea tensione quando quest'ultima assume il comando del CTU. Sarah mette alla prova l'autorità di Michelle dandole un ultimatum. Mentre Marwan mette in atto l'ultima fase del suo piano, Audrey ha dei ripensamenti sui suoi sentimenti per Jack.

Jack scopre l'identità di un uomo che potrebbe condurlo fino a Marwan. Costringe Dina ad aiutarlo ad avvicinarsi al sospettato. Edgar comincia a perdere il controllo per via della pressione a cui è sottoposto e Michelle chiede aiuto a Chloe. Nel frattempo Audrey si trova al fianco di Paul, che gravemente ferito è portato in sala operatoria. Il piano di Marwan continua e uno dei suoi accoliti minaccia un pilota per costringerlo a dargli accesso all'aeroporto.

Marwan decide di scambiare Jack al posto di Behrooz, sperando che la manovra distragga il CTU dal suo vero obiettivo. Tony e Michelle pesano bene le conseguenze dello scambio, mentre Curtis interroga Behrooz per ottenere ulteriori informazioni su Marwan.

CTU prende d'assalto il nascondiglio di Marwan, il quale riesce a sfuggirli tra le dita, fortunatamente Jack trova una traccia che potrebbe aiutarli a identificare il prossimo obiettivo del terrorista. Tony comincia ad avere dei sospetti sulla vita privata di Michelle, mentre Audrey viene a sapere la verità sulle ferite di Paul. Il Presidente Keeler cerca di trovare le parole giuste per confortare i cittadini americani e Anderson sta per ottenere quello che vuole.

Mike fa pressioni perchè il Vice Presidente presti giuramento mentre il resto della Casa Bianca attende il fato del Presidente Keeler. Due passanti innocenti vengono coinvolti nello scontro tra Jack e Marwan per mettere le mani sulla valigetta che contiene i codici di lancio delle armi nucleari.

Curtis ferma un sospettato che ha delle informazioni cruciali in merito al prossimo obiettivo di Marwan. Michelle ordina a Curtis di usare le maniere forti per interrogarlo, ma le cose si complicano quando Marwan manda un avvocato a difendere i suoi diritti. I consulenti di Logan cominciano a essere preoccupati per il comportamento che Logan continua ad avere in merito alle minacce terroristiche.

Chloe viene gettata di nuovo nella mischia dell'azione sul campo quando una donna denuncia il suo ragazzo per una possibile connessione alla cellula terroristica. I sforzi di Jack e Curtis per catturare Marwan vengono invalidati dai Servizi Segreti che hanno ricevuto l'ordine di arrestare Jack per insubordinazione. Micke decide di chiamare l'ex presidente David Palmer per chidergli un consiglio su come gestire la totale mancanza di leadership di Logan.

Logan autorizza Palmer a prendere in mano le redini della situazione e Palmer non perde tempo a dare il via libera a Jack e Curtis per mettere in atto il loro piano: infiltrarsi sotto copertura nell'Ambasciata Cinese per catturare un sospetto. Tony e Michelle continuano a 'scontrarsi' sulle loro questioni private, Buchanan invece fa presente che non ha gradito essere stato tenuto fuori dalla missione. Jack subisce la furia di Audrey quando un problema medico mette in pericolo la vita di Paul.

Il CTU cerca di procurarsi un abili per far fronte alle accuse dell'Ambasciata Cinese che presenta le prove del coinvolgimento degli Americani nel raid subìto. Audrey continua a trattare male Jack mentre Palmer e Logan hanno uno scontro sulle conseguenze che stanno affrontando dopo le decisioni di Palmer. Jack e Curtis si stanno avvicinando a Marwan, ma il conto alla rovescia per il lancio continua.

Jack scopre che tutti i suoi sforzi per contrattare con Marwan in cambio delle informazioni necessarie, sono del tutto inutili. Heller fa pressioni su suo figlio per sapere la verità quando il CTU scopre che potrebbe essersi messo in contatto con Marwan prima che gli attacchi cominciassero. Logan si trova nel bel mezzo di un braccio di ferro per il potere tra Palmer e l'ambizioso Portavoce della Casa Bianca. Tony e Michelle esplorano la possibilità di riallacciare il loro rapporto, ma le loro speranze vanno in frantumi quando una vecchia conoscenza si fa viva e prende un ostaggio.

Mandy usa Tony come leva per costringere Michelle a prestarle aiuto nella fuga. Un agente della sicurezza Cinese cattura un membro del CTU per interrogarlo in merito al raid all'Ambasciata. Palmer e Logan sono in disaccordo se organizzare o meno l'evacuazione delle città che potrebbero rivelarsi essere l'obiettivo per l'attacco missilistico.

Mentre il missile si dirige verso la sua destinazione a tutta velocità, Mandy fa un patto con Jack e il Presidente per svelare l'ubicazione di Marwan in cambio di un totale perdono presidenziale per tutti i suoi crimini. Tony e Michelle si ritrovano finalmente, mentre la storia tra Jack e Audrey è ormai arrivata al capolinea. Il governo Cinese fa richiesta di estradizione per sottoporre Jack a un processo e il consigliere di Logan suggerisce una manovra drastica per ovviare alla questione. Palmer cerca disperatamente di avvisare Jack del pericolo incombente. Tony, Michelle e Chloe si organizzano per aiutare Jack a evadere la trappola organizzata dai Servizi Segreti e la vita di Bauer cambia per sempre.