ヘラー米大統領と娘のオードリーらが訪英し、ロンドンは緊張感に包まれていた。ナバロの指揮の下、逃亡中のジャック・バウアーがCIAに確保されるが、捜査官のケイトは、彼が意図的に捕まったのではないかと疑う。ジャックは一瞬の隙をついて逃亡。その頃アフガニスタンでは、米兵が遠隔操作していた無人爆撃機が勝手に攻撃を開始してしまう。

クロエはロンドンを拠点とするハッカー集団「オープンセル」に属していた。メンバーのイエーツは、ハッキングした情報を高値で売っていたことが原因で仲間のもとを去っていた。ジャックはイエーツの潜伏先を突き止め襲撃するが、イエーツは恋人シモーヌと逃亡。しかし、シモーヌはイエーツを殺し、彼が作ったある装置を持って逃走してしまう。

シモーヌは国際的テロリスト、マーゴットの娘だった。マーゴットは3年前にイエメンで起きた無人爆撃機による攻撃で夫を失い、それを指揮したヘラー大統領を恨んでいた。装置を受け取ったマーゴットは英国内の10ヶ所を攻撃すると決める。一方、英国首相の前でスピーチを行なうはずだった大統領は、聴衆から責められ言葉を失ってしまう。

米国大使館に潜入したジャックは、無人爆撃機の飛行記録データをオープンセルに送信しようと通信室に立てこもる。ヘラー大統領はジャックと直接電話で話をし、無人爆撃機が何者かに乗っ取られていたこと、さらなるテロ攻撃の可能性があることを聞く。一方、マーゴットは非情なやりかたで、シモーヌの夫ナヴィードに無人爆撃機の操縦を命じる。

飛行記録データを受け取ったクロエたちは、イエーツが作ったデータの上書きコードを発見する。マーゴットは、3時間以内に自分の指定する場所にヘラー大統領が投降しなければ、大勢の市民に犠牲が出るとの犯行予告映像をウェブに公開していた。CIA捜査員たちが映像から割り出した建物に踏み込むが、同時に、無人爆撃機により攻撃されてしまう。

ヘラー大統領はCIAに対し、マーゴット確保の全権をジャックに渡すよう命じる。ジャックは、マーゴットと取引がある武器商人カール・ラスクから情報を得るため、おとりとしてケイトを彼の組織に引き渡す作戦に出る。2人は拷問を避けるための細工をするが、それらを監視していたデイビス英国首相は、ジャックを信用できずにMI5を突入させる。

ヘラー大統領は、自分が1人でウェンブリースタジアムに行けば、マーゴットは全ての無人爆撃機を破壊すると約束したことをジャックに告げる。考え直すよう説得するジャックに、大統領は自身の病気のことを打ち明け、決心が揺るぎないことを示す。CIA捜査官たちはシモーヌから聞き出した住所へ向かうが、すでにマーゴットたちは逃げた後だった。

マーゴットとの取引に応じ、1人スタジアムのピッチに立ったヘラー大統領にミサイルが直撃する。その様子を見届けたマーゴットもまた、約束どおり無人爆撃機を海に沈めるが、残り1機となったところでジャックが仕組んだトリックを見破る。裏切りに激昂したマーゴットは、報復として多くの市民でごった返すウォータールー駅を爆撃することに。

ジョーダン殺しの黒幕としてナバロを拘束したジャックだが、乗っ取り装置を手に入れたエイドリアンとクロエは逃走してしまう。ジャックに対するオードリーの想いが気に入らないマークは、ロシア外交官の脅しに乗る。クロエたちがオープンセルに戻ると、そこには中国のテロリスト、チェン・ジーの姿が。チェンは装置を奪い、ある計画を実行に移す。

ジャックは、クロエが残した携帯電話の録音メッセージで、死んだはずのチェンがこの件に絡んでいることを知り驚愕する。チェンの黒幕がロシアだとにらんだジャックは、マークを連れてロシア大使邸に乗り込む。ヘラー大統領は中国側に説明と説得を試みるも失敗。中国軍は沖縄の米軍基地を攻撃する態勢に入り、最悪の事態に発展する危険が高まる。

事態の打開策を探すべく中国大使館に勤める知人に会いに行ったオードリーが、チェンの仲間によって人質に取られてしまう。チェンを追うジャックの代わりにケイトが救出に向かうが、オードリーは撃たれてしまう。米軍が今にも攻撃を開始しようとした時、ジャックが送った決定的な証拠映像がCIAに届き、戦争の危機は回避される。そして12時間後―。