Sydney weet niet of Vaughn levend uit het water is gekomen, maar ze krijgt het nog moeilijker als haar dood gewaande moeder weer op het toneel verschijnt. Ze is de leider van een schurkenorganisatie die onderdelen van een mysterieuze Rambaldi-apparaat verzamelt en heeft een plan dat het leven van haar dochter in gevaar brengt. Wills hele leven verandert als hij achter SD-6 en Sydney's dubbelleven komt. Dixon twijfelt of hij Sloane moet vertellen over het verdachte gedrag van Sydney.

Sydney twijfelt of haar moeders gebaar van goede wil oprecht was of een verkapte poging om haar dochter om te laten brengen. Als Sloane een belastende cd-rom vindt, komt SD-6 in de gelegenheid om de geheimen van Sydney's moeder te ontdekken; Will hoort Francie praten over een etentje met een man die misschien wel kwade bedoelingen heeft. Sloane wordt als volwaardig lid opgenomen in de Alliantie van Twaalf.

Sydney moet haar vijand Sark te slim af zijn om cruciale informatie te vinden. Jack staat voor het eerst in twintig jaar tijd oog in oog met Sydney's moeder. Will ontmoet Vaughn en Sloan wordt gekweld door de dood van zijn vrouw.

Sydney's omgang met haar moeder zorgt ervoor dat Jack verregaande maatregelen treft omwille van zijn dochters veiligheid. Een mysterieuze vrouw vraagt Will om zijn verhaal over SD-6 weer op te rakelen. Door Dixons mededeling over de herkomst van een verdacht telefoontje raakt Sloane overstuur.

Sydney ontdekt een gruwelijk geheim als ze op missie moet om een nieuwe generatie wapens op te sporen. Vaughn verdenkt Jack ervan dat hij Sydney's moeder erin heeft geluisd. Sloane vertelt Jack de waarheid over Emily's dood. Will helpt Francie bij de officiële opening van haar restaurant.

Jack brengt een groot offer als Sydney's vertrouwen in haar vader begint te verdwijnen. Sydney en Vaughn zijn wellicht in Taipei blootgesteld aan een dodelijk virus. Sloane gaat kapot aan de dood van Emily, en Vaughn neemt Will aan om te helpen een zaak te onderzoeken.

Sydney probeert snel een behandeling voor Vaughn te vinden, wiens leven na z'n waterige avontuur in Taipei aan een zijden draadje hangt. Maar om een tegengif te vinden moet Sydney het op een akkoordje gooien met Sark, wat Sloane's leven in gevaar kan brengen. Will gaat door met z'n onderzoek voor Vaughn en ontdekt een aantal zorgwekkende onregelmatigheden bij standaard-IQ-tests van 20 jaar oud.

Sydney, Jack en Irina moeten hun meningsverschillen opzijzetten en zich voordoen als één blije familie om zes kernkoppen van een vijandig land in handen te krijgen. Sloanne vertelt de wantrouwige medewerkers dat Mr Sark bij SD-6 komt werken. Vaughn moet wellicht Will z'n onderzoeksopdracht voor de CIA afnemen. Sloane wordt benaderd door een onbekende groep die beweert dat Emily nog in leven is.

Tijdens hun missie om zes kernkoppen in handen te krijgen, ontdekken Sydney en Jack waar Irina's loyaliteiten liggen, als zij Gerard Cuvee ontmoet. Sloane licht de Alliantie in dat Emily wellicht nog leeft.

Jack ontmoet Ariana Keane, hoofd van de veiligheidsdienst, die de feiten rond de verdwijning van Emily onderzoekt en probeert te ontdekken wie Sloane chanteert. Een hypernerveuze Marshall vertrekt voor z'n eerste missie, met Sydney als partner. Vaughn laat Will een psychologische test van de CIA doen en Francie vertrouwt het geheimzinnige gedrag van Sydney en Will niet.

Na z'n eerste missie met Sydney verkeert Marshall in levensgevaar. Het hoofd van de veiligheidsdienst van de Alliantie, Ariana Kane, ziet Jack als hoofdverdachte in de zaak rond de verdwijning van de vrouw van Sloane, Emily. Vaughn komt achter de waarheid over de betrokkenheid van Jack bij de moord op CIA-agent Haladki. Sydney vertelt Francie over haar gevoelens voor een collega, en Vaughn geeft Will de uitslag van z'n psychologische test voor de CIA.

Terwijl het hoofd van de veiligheidsdienst van de Alliantie, Ariana Kane, een onderzoek instelt naar Sydney om haar vader te pakken te krijgen, roept Jack de hulp in van Irina om de chanteur van Sloane te vinden. Sydney en Vaughn riskeren ontmaskering door de SD-6 als ze een romantisch etentje hebben tijdens een opdracht in Frankrijk.

Sydney en Jack worden voor het blok gezet door de nieuwe directeur van SD-6 als hij de vermiste Sloane vervangt, wiens verblijfplaats en beweegredenen onbekend zijn. Er begint iets moois op te bloeien tussen Francie en Will.

Sydney, Vaughn en Jack moeten onderzoeken of CIA-agent Lennox is wie hij zegt dat hij is, nadat zijn undercovermissie is mislukt. Als Sydney Lennox redt, ontdekt ze een directe link: ze hebben allebei in hun werk iemand verloren van wie ze hielden. Maar zelfs haar beoordelingsvermogen wordt in twijfel getrokken als Vaughn en Jack ontdekken dat Lennox bezig was met een techniek waarmee mensen hun uiterlijk kunnen veranderen.

Sydney moet een cruciale beslissing nemen met betrekken tot haar toekomst bij de dienst. Sloane duikt weer op en gaat door met z'n obsessieve speurtocht om mysterieuze artefacten van Rambaldi bij elkaar te zoeken. Hij probeert dit met de onvrijwillige hulp van een gegijzelde wetenschapper. Het huwelijk van Dixon ligt onder vuur als hij z'n vrouw alles vertelt over z'n werk. Sydney's afstuderen is bitterzoet.

De krachten van een mysterieus apparaat van Rambaldi worden eindelijk ontrafeld, maar een verraderlijke Sloane heeft geheimen. Vaughn smeekt de weinig coöperatieve Dixon om de CIA te helpen Sydney te redden. Will wordt gevraagd mee te werken aan een cruciale CIA-briefing. Sydney voelt dat Francie geheimen heeft.

Sydney begint zich af te vragen waar Vaughns loyaliteiten liggen als ze van CIA-agent Yaeger hoort dat de dienst hem onderzoekt. Irina en een cruciaal manuscript van Rambaldi worden gebruikt als lokaas om Sloane te pakken te krijgen en Sydney heet Dixon welkom bij de CIA.

Na haar moeders bedrog bereidt Sydney zich lichamelijk en geestelijk voor op hun volgende ontmoeting. Sydney en Vaughn sporen Irina op in een lab in Duitsland waar zijn probeert een gecodeerde database in handen te krijgen. Emily Sloane duikt op in Florence, waar ze moet besluiten of ze samenwerkt met haar man of hem zal verraden.

Sydney gaat tegen haar vader in als ze probeert een gegijzelde wetenschapper te redden, terwijl de wraakzuchtige Sloane steeds gevaarlijker wordt. Francie manipuleert een nietsvermoedende Will om zijn connecties bij de dienst van hem los te krijgen.

Een artefact van Rambaldi voorspelt dat er binnenkort een apocalyptische gebeurtenis plaats zal vinden. Dixons verdriet leidt Vaughn en CIA-psycholoog dr. Barnett ertoe om te gaan twijfelen aan zijn bedoelingen, nu z'n wraakzucht tegenover Sloane steeds groter wordt. Sloane krijgt van een mysterieuze monnik uit Nepal een openbaring die zijn leven zal veranderen. Sydney en Dixon zitten achter de moordenaar aan die het hart van z'n slachtoffer heeft gesloten en Marshall heeft een nieuwe collega nodig.

Sydney begint Wills identiteit in twijfel te trekken, als hij wegens contraspionage wordt gearresteerd. Sark en Irina spannen samen om het hart van Rambaldi te vinden, en Sloane doet Jack een zakelijk voorstel.

Sydney zet uiteindelijk haar moeder voor het blok, die haar vertelt wat haar ware drijfveer is. Jack wordt aangevallen en ontvoerd door Sloane, die vertelt dat de laatste Rambaldi-machine, genaamd 'De Vertelling', over 24 uur voltooid zal zijn. Will probeert erachter te komen wie achter de valstrik zit en Marshall is verliefd.