Sono passati diciotto mesi dalla fuga di Jack Bauer. Tutto il mondo lo crede morto, tranne David Palmer, Tony, Michelle e Chloe, che lo hanno aiutato a sparire. Jack vive vicino Los Angeles sotto la falsa identità di Frank Flynn, presso Diana Huxley, la sua padrona di casa, e suo figlio Derek. Nel frattempo Palmer si trova a L.A. per fare visita a suo fratello Wayne e rimane ucciso da un colpo di arma da fuoco. Mentre il CTU cerca di raccogliere informazioni su quanto è successo, Michelle muore in seguito all'esplosione di un'auto, mentre Tony rimane ferito. Chloe viene seguita da un uomo sconosciuto, ma riesce a seminarlo e a contattare Jack per chiedergli aiuto. Anche il Presidente Logan si trova a L.A. e sta per firmare un importante trattato antiterrorismo con la Russia. La First Lady rimane sconvolta dalla morte di Palmer mentre suo marito si rifiuta di seguire i consigli del CTU che suggerisce di rimandare il summit. Jack scopre che c'è un'organizzazione che lo vuole morto e che lo ha incastrato per gli omicidi di Palmer e Michelle.

Jack e Chloe s'infiltrano nell'attico di Wayne Palmer, dove suo fratello Davide è stato ucciso, con la speranza di trovare una traccia che li porti all'assassino. Jack convince Wayne a cooperare e scopre delle informazioni che lo portano all'aeroporto dove sta per atterrare il Presidente Russo. Il CTU e i Servizi Segreti cercano di catturare Jack, ma lui e Derek riescono a sfuggirgli. Martha racconta a suo marito che la notte prima dell'omicidio, ha ricevuto una telefonata importante da Palmer, ma un nastro registrato della conversazione sembra contraddire la sua affermazione. Jack va all'aeroporto per seguire la traccia, ma un gruppo di terroristi Russi prende delle persone in ostaggio, tra di loro c'è anche Derek.

Jack viene catturato dai terroristi che usano Derek come leva per costringerlo a sabotare l'assalto programmato dal CTU. Logan rifiuta di piegarsi al ricatto subito, specie in vista del trattato. Martha cerca di avvisare suo marito delle prove che è riuscita a ottenere, ma Walt le mette i bastoni tra le ruote. Un nuovo rappresentante del Distretto arriva al CTU, compromettendo l'autorità di Buchanan.

Jack ritorna al CTU e per un attimo viene travolto dai suoi sentimenti quando rivede Audrey. Curtis riesce a rintracciare i Russi e il gas nervino rubato. Walt invia un killer per eliminare Jack, mentre Chloe scopre il piano di Spencer. Walt convince Logan a ricoverare Martha in un istituto dichiarando che le sue affermazioni sono frutto di un problema mentale.

Jack si mette in contatto con Mike per chiedergli un incontro segreto in modo da raccogliere prove contro Walt. Martha supplica Aaron di aiutarla mentre Walt, ormai alle strette, chiede a Logan di diventare suo complice per aiutarlo con i terroristi. Buchanan ha uno scontro di opinioni con Lynn sugli ordini ricevuti dal Presidente; nel frattempo i Russi cercano di scappare con il gas nervino.

Jack rintraccia un uomo che ha delle connessioni con i terroristi. Logan è costretto a garantirgli l'immunità per ottenere informazioni. Mike e Martha litigano per la risposta pubblica di Logan in merito al coinvolgimento di Walt con i separatisti Russi. Nel frattempo Lynn viene distratto da un problema personale mentre i terroristi stanno per colpire gli Stati Uniti.

Jack riesce a recuperare un contenitore di gas nervino, ma quando i terroristi puntano un grande magazzino, Jack decide di infrangere gli ordini impartiti dal Presidente. Logan è intenzionato a coprire le vere motivazioni che si celano dietro il suicidio di Walt ma Martha non è affatto d'accordo.

Lynn ordina a Curtis di prendere Jack in custodia per aver violato gli ordini presidenziali, ma Jack prende il largo dopo aver ricevuto informazioni da Nathanson sull'ubicazione del gas nervino. Lynn scopre che i suoi collaboratori stanno lavorando contro di lui per dare una mano a Jack mentre il capo dei terroristi presenta le sue richieste al Presidente. Logan informa Bierko sull'itinerario del Presidente Russo, Yuri Suvarov e Martha prende misure disperate per ottenere l'attenzione di suo marito.

Logan sente i morsi della coscienza quando scopre che sua moglie si trova insieme ai Suvarovs. Audrey convince Curtis a prendere provvedimenti per il comportamento di Lynn, nel frattempo Jack scopre che un ex agente del CTU, Christopher Henderson, lavora per un'azienda che è connessa al gas nervino.

Jack interroga la moglie di Henderson in merito ai contatti di Christopher con i terroristi. Lynn supplica sua sorella di restituirgli la carta magnetica rubata. Tony riprende conoscenza e viene a sapere della morte di Michelle, Logan viene trattato freddamente da sua moglie, mentre Curtis scopre un attentato a base di gas nervino ai danni di un ospedale della città.

Jack porta Henderson al CTU per interrogarlo, una volta arrivati affronta una discussione con sua figlia Kim. Mike chiede aiuto a Martha mentre Logan riceve pressioni dal Vice Presidente per instaurare la legge marziale a Los Angeles. Lynn collega il furto della sua carta magnetica con l'imminente attacco al CTU, ma il suo avvertimento arriva troppo tardi e un terrorista riesce a infiltrarsi nell'edificio.

Jack e Lynn scoprono che il gas nervino sta penetrando i sigilli che fino a ora hanno salvato la vita alle persone presenti nel CTU. Chloe è in pena per la morte di Edgar ma cerca di mantenere i nervi saldi, nel frattempo Tony pensa a come vendicarsi di Henderson. Martha cerca di sostenere suo marito che risente della pressione politica che sta subendo da Gardner.

Jack fa un accodo con un agente segreto tedesco per trovare la donna che lo può condurre da Bierko. La Homeland Security interviene nella gestione delle cose preparandosi a prendere il comando dalle mani del CTU. Aaron riceve una richiesta per un incontro segreto con Wayne Palmer, nel frattempo Logan decide di instaurare la legge marziale nella città di Los Angeles.

Jack è costretto a interrogare Audrey che potrebbe essere coinvolta con i terroristi, Wayne e Aaron scappano da un gruppo armato mandato da Henderson per eliminarli. Bierko e i suoi uomini ottengono l'accesso a un impianto di gas naturale e si preparano a diffondere il gas nervino in tutta la città.

Jack e Wayne localizzano una fonte che ha delle informazioni sull'assassinio di Palmer: Evelyn Martin, l'assistente di Martha. Purtroppo le cose si complicano per via di Henderson che sta ricattando l'informatrice per tapparle la bocca. La Homeland Security sta soppiantando il CTU e Audrey è costretta a rimuovere Buchanan dall'incarico per permettere a Chloe di rimanere al CTU per aiutare Jack.

Jack e Wayne mettono le mani su una registrazione che prova il coinvolgimento di Logan nella cospirazione terroristica, tuttavia Henderson li mette alle strette cercando di distruggere il nastro. Logan cerca di coprirsi le spalle emanando un ordine di arresto per Jack, nel frattempo Audrey, con l'aiuto di Chloe, si mette in contatto con suo padre per aiutare Jack a evadere dal CTU.

Jack mostra a Heller le registrazioni incriminanti con la speranza che decida di aiutarli a destituire Logan dalla carica Presidenziale. Heller tuttavia, ha ben altri piani e decide di salvare la 'faccia' al Presidente. Miles si serve di Chloe a sua insaputa per guidare il CTU da Jack e Audrey, i sospetti di Mike e Martha su Logan si intensificano e Heller fa finalmente la sua mossa lanciando un ultimatum al Presidente.

Jack cattura Henderson e lo costringe a consegnare la registrazione, ma Henderson riesce a guadagnare un po' di tempo. Logan confessa a Martha il suo coinvolgimento nell'assassinio di Palmer e Buchanan e Chloe scoprono di avere un nuovo, insospettabile alleato al loro fianco.

Jack sale a bordo dell'aereo dove si trovano le prove incriminanti ma deve vedersela con il pilota che si rifiuta di collaborare. Martha è sull'orlo di un esaurimento nervoso e comincia a dare segni di cedimento, aumentando i sospetti di Mike. Nel frattempo Logan cerca di calmare gli animi dei suoi finanziatori.

Logan da ordine di abbattere l'aereo e Jack cerca un posto sicuro per un atterraggio di fortuna. Hayes prepara Bierko per trasferirlo in una struttura di massima sicurezza, Audrey riceve delle buone notizie su suo padre, Logan è disperato perchè il suo piano sta andando a rotoli, ma un alleato misterioso al CTU ribalta la situazione a suo favore.

Bierko riesce a fuggire durante il trasferimento e usa l'ultimo contenitore di gas nervino per un attacco a sorpresa. Jack è costretto a collaborare con Henderson per rintracciare Bierko, ma Henderson offre il suo aiuto in cambio di una richiesta. Logan è costretto a prendere drastiche misure quando Aaron decide di mandare all'aria la copertura.

Bierko si prepara a lanciare il suo attacco contro Los Angeles, ma Jack e Henderson riescono a riappropriarsi del sottomarino rubato. Chloe chiede aiuto a una vecchia conoscenza, Martha e Aaron si rivolgono a Mike chiedendogli aiuto per portare alla luce la verità su Logan.

Dopo la morte di Bierko e Henderson, Jack decide di affrontare direttamente il Presidente per ottenere una confessione sul suo coinvolgimento con gli eventi della giornata; fallito il piano di Jack, Martha e Chloe mettono in atto un piano di riserva per inchiodare Logan. Convinti che la crisi sia ormai superata, Jack e Audrey rilassano concedendosi un momento di tenerezza, ma ben presto Jack scopre che i suoi guai sono appena cominciati...