Sydney wird noch immer in Taipeh gefangen gehalten, wo sie auf ihre tot geglaubte Mutter Laura Bristow alias Irina Derevko trifft. Als sie sich weigert, ihren Auftraggeber zu nennen, zögert Laura nicht und schießt ihrer Tochter in die Schulter. Zwar kann sich Sydney kurz darauf befreien, schwebt aber noch immer in Gefahr: Dixon hat Sloane berichtet, er halte sie für eine Doppelagentin, weil sie einen fremden Codenamen benutzt hat und in ein SD-6-Labor eingebrochen ist …

Im Auftrag von Mr. Sark soll eine Terahertz-Kamera mit einem Satelliten in eine Umlaufbahn geschickt werden, um etwas Bestimmtes unter der Erdoberfläche zu suchen. Von ihrer Mutter erfährt Sydney, dass es sich um eine von Rambaldi entworfene Spieldose handelt, deren Melodie eine verschlüsselte Gleichung für Nullpunktenergie enthält. Als die Kamera ins All geschossen wird und erste Bilder auf die Erde sendet, wird klar, dass sich der gesuchte Gegenstand in Sibirien befindet …

Während es Sydney mit Dixons Hilfe endlich gelingt, sich aus dem sibirischen Eis zu befreien, schickt Sloane ein Team los, das Sark und die Spieldose von Rambaldi finden soll. Bei der Aktion stoßen die Agenten auf Claus Richter, den Mann, der „Die Bibel“, das Operationshandbuch von Irina Derevkos Organisation, versteckt hat. Den Plan zum Versteck hat Richter in der Moskauer Militärbücherei deponiert. Im Auftrag des SD-6 macht sich Sydney auf den Weg in die russische Hauptstadt …

Sydney und Dixon sollen in Budapest die 16 neuen Waffen der Triade ausspionieren. Sydney traut ihren Augen kaum, als sie feststellt, dass es sich dabei um Kinder handelt. Diese werden in einem einmonatigen Programm als Sleeper ausgebildet werden und können sich danach an nichts mehr erinnern. Zurück in L.A. findet die Agentin durch Hypnose heraus, dass auch sie als Kind zum Sleeper programmiert wurde: von ihrem eigenen Vater.

Sydney und Jack haben die Information erhalten, dass Sark möglicherweise dabei ist, eine Biowaffe zu entwickeln. Er soll drei Männer mit demselben Virus infiziert haben, von dem bereits sein ehemaliger Gefangener Claus Richter befallen war. Aus diesem Grund reist Jack gemeinsam mit Sydney zu einer Klinik in Genf, in der die Infizierten untergebracht wurden. Ihr Auftrag lautet, die Forschungsergebnisse zu dem Virus aus dem Krankenhaus zu entwenden und weiterzuleiten …

Vaughn hat sich mit einem tödlichen Virus infiziert und benötigt dringend ein Gegenmittel. Nachdem Sydney davon erfährt, begibt sie sich nach Estland, denn nur hier kann das Serum erzeugt werden. Als sie sich Zutritt zum Labor verschafft, löst sie den Alarm aus – und gerät in die Hände von Sark. Er will Sydney nur dann mit dem Gegenmittel freilassen, wenn sie ihm Sloane ausliefert. Für Sydney beginnt ein Rennen gegen die Zeit, denn Vaughn hat nur noch ganze drei Tage zu leben …

Sydney und Dixon erhalten den Auftrag, die Kommunikationscodes der usbekischen Bodentruppen zu beschaffen, bevor diese in die Hände tadschikischer Extremisten gelangen. Es stellt sich heraus, dass die Codes eigentlich Steuerungscodes für mobile Atomsprengköpfe sind, die von Rebellen im Kaschmir versteckt gehalten werden. Da nur Irina das Versteck kennt, wird sie für diese Mission aus der Haft entlassen und zusammen mit Jack und Sydney in die gefährliche Region geschickt …

Unterwegs zu dem Waffenversteck erfährt Sydney von Vaughn, dass die Waffen am folgenden Tag gezündet werden sollen. Als Sydney und ihre Eltern ein Minenfeld überqueren, können sie zwar einige Angreifer in die Flucht schlagen, aber Jack landet dabei auf einer der Minen – und muss Irinas Hilfe annehmen. Als Vaughn hört, dass die Pakistanis wegen der Kernwaffen einen Luftangriff planen, macht er sich auf den Weg, um Syd zu helfen. Syd, Jack und Irina haben indessen das Waffenversteck erreicht und beginnen die Sicherheitssysteme auszuschalten. Dabei bleibt Jack nichts anderes übrig, als Irina zu vertrauen. Ein fataler Fehler?

Nach der erfolglosen Operation in Kaschmir glaubt Sloane, Sark sei SD-6 gegenüber nicht loyal und lässt ihn foltern. Doch Sark beteuert seine Loyalität und gibt Sloane zu bedenken, es gebe einen anderen Maulwurf … Seinen neuesten Auftrag muss Sark mit Sydney ausführen: Die beiden sollen ein Terminal stehlen, das ein NASA-Programm enthält. Sydneys Gegenauftrag für die CIA ist es, die Festplatte des Terminals zu manipulieren, sodass sie sich beim Start selbst zerstört …

SD-6-Chef Sloane hat inzwischen Teile des Echelon-Programms erhalten und zeigt deshalb keine Eile, den gefangenen Marshall zu befreien. Bei der Übertragung ist jedoch ein Fehler unterlaufen, und so sollen Sydney und Dixon das fehlende Datenpaket aus Vietnam besorgen. Unterdessen wird Marshall gefoltert und gezwungen, die Zugangscodes des Echelon-Sateliten zu rekonstruieren, die er bereits an SD-6 geschickt hat.

Jack wird von Ariana, einer Mitarbeiterin der Gegenspionage der Allianz, verdächtigt: Er soll etwas mit den seltsamen Ereignissen um Sloanes Ehefrau Emily zu tun haben. Währenddessen sollen Sydney und Dixon in Paris den Prototyp eines Raketen-Suchsystems entwenden. Auch Vaughn ist in Paris und bittet Sydney endlich um ein romantisches Dinner.

Da SD-6-Chef Sloane vermisst wird, hat Anthony Geiger von der Allianz die Leitung der Zentrale übernommen. Aber Sark misstraut ihm und äußert seine Bedenken auch Sydney gegenüber. Außerdem erwähnt er einen 47. Server. Tatsächlich kann die CIA diesen ausfindig machen und lässt sich von Sydney wertvolle Daten senden, die zur weltweiten Zerstörung der SD-Zellen führen.

CIA-Agentin Emma Wallace wurde in aller Öffentlichkeit in Berlin ermordet. Sie sollte mit ihrem Partner Lennox mehr über das Projekt „Helix“ herausfinden. Sydney und Vaughn gehen dem Fall nach und finden Unglaubliches heraus: Markovic hat einen Weg gefunden, das Aussehen eines Menschen komplett zu verändern, und seine erste Testperson war Lennox. Nun existiert ein völlig identisches Double des Agenten.

Sydney und Vaughn sind hinter Sloane her. Der hat den Mathematiker Neil Caplan samt Familie entführt und versteckt sich mit ihnen irgendwo in der Schweiz. Caplan soll für ihn die Rambaldi Artefakte zusammensetzen. Wird es Sydney und Vaughn rechtzeitig gelingen, Sloanes Plan zu vereiteln? – Gastauftritt: Christian Slater.

Sloane trifft sich in Kandahar mit dem Bandenchef Ahmad Kabir und heuchelt Interesse an einer Zusammenarbeit. Der will allerdings von Sloane zuvor eine Demonstration seiner Macht und fragt ihn nach einem bestimmten „Ziel“. Ohne zu zögern gibt Sloane seine Ex-Frau an.

Bei einem von drei getöteten Männern vermutet Sark einen Safeschlüssel, mit dem man einem weiteren Rambaldi-Manuskript auf die Spur kommen kann. Irina hat die CIA davon überzeugt, dass sie Sloane in eine Falle locken kann. Doch während des Einsatzes verliert Marshall ihr Signal. Allem Anschein nach hat Irina nicht Sloane, sondern der CIA eine Falle gestellt.

Irina befindet sich in Stuttgart, um Informationen aus einer genetischen Datenbank zu bekommen. Sydney und Vaughn sind ihr dicht auf den Fersen. Es kommt zu einem Zwischenfall, bei dem Sark aus nächster Nähe auf Vaughn schießt. Kurz darauf stellt sich Irina den beiden Agenten und rettet ihnen damit das Leben.

Sydney ist immer noch mit dem Fall von Neil Caplan beschäftigt. Ihr fallen in der Akte einige ungewöhnliche Telefonate auf. Prompt gesteht Elsa Caplan, dass der KGB sie auf ihren Mann angesetzt hat. Angeblich hat man ihm eine Zyanidkapsel implantiert, womit ihm nur noch 42 Stunden zu leben bleiben. Sydney glaubt Elsa und will etwas unternehmen.

Nachdem sich Dixon schon seit Tagen sehr merkwürdig verhält, beobachtet ihn Vaughn zufällig dabei, wie er Tabletten schluckt. Daraufhin bittet er heimlich Dr. Barnett, ihn einem Drogentest zu unterziehen. Als Sydney davon erfährt, stellt sie Vaughn zur Rede. Die Situation spitzt sich zu, als Vaughn während eines Einsatzes plötzlich den Befehl erhält, Dixon zu töten.

Sydney und Vaughn suchen noch immer nach der Person, die sich mit Hilfe von Dr. Marcovic und dem Projekt „Helix“ duplizieren konnte. Durch einen Trick wird ihnen und der CIA weisgemacht, dass es sich bei der gesuchten Person um Will handelt. Sidney will ihren Freund um jeden Preis entlasten und schreckt dabei auch vor Erpressung nicht zurück.

In Stockholm können Sydney und Vaughn endlich Sark festnehmen. Der teilt ihnen sogleich bereitwillig Sloanes Aufenthaltsort mit: Mexico City. Dort hat Sloane hat in der Zwischenzeit Jack entführt. Die CIA kann ihn zwar befreien, doch der Schurke entkommt. Während Vaughn sich an seine Fersen heftet, jagt Sydney ihrer Mutter hinterher.