Sydney verlässt die CIA und schließt sich einer Gruppe namens „Authorized Personnel Only“ an. Zur APO gehören auch Jack, Vaughn, Dixon und Sloane. Nachdem Sydney in Wittenberg bestimmte Informationen herausgefunden hat, verschlechtert sich ihr Verhältnis zu Jack. Nach einigem Zögern entscheidet sich die Agentin, Vaughn den Grund dafür zu nennen.

Nur widerwillig arbeitet Sydney mit ihrem Vater Jack zusammen. Doch dies ist die einzige Möglichkeit, um den modernen Samurai Kazu Tamazaki zu fassen. Währenddessen will Nadia ihren Job als Spionin endgültig aufgeben. Da wird Sydney von Tamazaki gefangen genommen und schwebt in Lebensgefahr. Nadia bleibt nichts anderes übrig, als ihre Entscheidung noch einmal zu überdenken.

Sydney setzt ihre weiblichen Reize ein, um über den Waffenhändler Martin Bishop an einen gestohlenen Codeknacker des NSA zu gelangen. Mit Jack gerät sie in einen Streit darüber, ob Nadia die Wahrheit über den Tod ihrer Mutter erfahren soll. Unterdessen fürchtet Vaughn um das Leben von Eric.

Ein gefährlicher Undercover-Einsatz wartet auf Sydney und Vaughn: Sie sollen eine tödliche Biowaffe unschädlich zu machen. Doch die Agentin macht sich Sorgen um ihren Partner. Vaughn scheint immer noch nicht mit Lauren abgeschlossen zu haben. Währenddessen bittet Nadia Jack um Hilfe: bei der Suche nach dem Mörder ihrer Mutter.

Sydney und Vaughn geben sich als Ehepaar aus, das mit Waffen handelt. So wollen sie an eine höchst gefährliche Bombe gelangen, deren Detonation eine Katastrophe bedeuten würde. Doch bei ihrer Suche stoßen die beiden auf jede Menge Hindernisse.

Sydney wird von einem CIA-Agenten in den Arm gebissen. Dabei wird sie mit einem höchst gefährlichen Stoff kontaminiert: Immer mehr verliert sie den Bezug zur Realität und verwandelt sich in eine Art Zombie. Für Vaughn und Jack beginnt ein Wettlauf gegen die Zeit, um ein Gegengift zu finden und Sydney zu retten.

Getarnt als reiche Erbinnen ermitteln Sydney und Nadia undercover im Fall eines ermordeten Chemikers. So wollen sie den vermeintlichen Täter, einen Waffenhändler und Playboy aus der Reserve locken. Wie Sloane befürchtet, gestaltet sich dieser Einsatz ausgesprochen schwierig. Denn Sydney und Nadia geraten immer wieder in Streit.

Sloane erteilt Jack kurzfristig alle Befugnisse für den nächsten Einsatz der APO. Darin spielt Sydneys alte Erzfeindin Anna Espinosa eine Hauptrolle. Doch die Auftragskillerin nimmt Nadia gefangen und erpresst damit Sydney. Indessen stattet Vaughn dem inhaftierten Sark einen Besuch ab. Er will ihn mit einer List dazu bringen, bei der Jagd nach Anna zu helfen.

Nadia liegt schwer verletzt im Koma. Deshalb muss die APO Sark um Hilfe bitten: Er soll eine gefährliche Bombe finden und entschärfen. Da Sydney jedoch herausfindet, dass Nadia vermutlich als einzige weiß, wie die Waffe unschädlich gemacht werden kann, versucht Jack, die Agentin aus dem Koma zu wecken. Damit gefährdet er Nadias Leben und zieht sich den Zorn von Sloane zu.

Dixon will beweisen, dass Sloane nicht nur die CIA betrügt, sondern auch noch die APO dazu benutzt, den „Blackwell Index“ zu stehlen. Außerdem glaubt der Agent, dass Sloane die „Allianz der zwölf“ wieder ins Leben rufen will. Er bittet Sydney um Hilfe. In der Hoffnung, Hinweise dafür zu finden, untersucht Sydney Sloanes Computer. Dabei wird sie von Nadia beobachtet. Diese verrät ihre Schwester zwar nicht, verliert aber allmählich das Vertrauen zu ihr.

Sydney erledigt gerade einen Auftrag in Österreich und rettet dabei zufällig einem Amerikaner das Leben. Als sie jedoch geheime Informationen über eine neuartige Waffe erhält, bringt sie den Mann unbeabsichtigt in Gefahr. Währenddessen besucht Jack seinen alten Bekannten, den Waffenhändler Sasha Korjev. Mittlerweile findet Vaughn weitere erschreckende Details über seinen Vater heraus.

Nadia gibt unbedacht ein Geheimnis aus ihrer Vergangenheit preis und bringt damit sich und Sydney in Gefahr: Einst arbeitete sie als Auftragskillerin in ihrer Heimat Argentinien für den Verbrecher Caesar Martinez. Der will nun an „alte Zeiten“ anknüpfen. Vaughn begegnet jemandem, der sowohl eine Verbindung zu seinem Vater als auch zu Nadia hat.

Sydney in Lebensgefahr: Nachdem ihre Mission in Cuba gescheitert ist, wird sie überwältigt und lebendig in einem luftdichten Sarg begraben. Marshall ist der einzige, der sie noch retten könnte. Zur selben Zeit hat Dixon in Los Angeles alle Hände voll zu tun. Ein unbekannter, hoch gefährlicher Erreger breitet sich in den Räumen der APO aus.

Sydney unterstützt Vaughn bei der Suche nach seinem Vater. Beide sind überzeugt, dass dieser allen Gerüchten zum Trotz noch am Leben ist. Ihre Nachforschungen führen sie unter anderem nach München. Dort gelingt es Sydney, einem Anlageberater wichtige Informationen zu entlocken. Doch bei ihrer weiteren Suche geraten die Agentin und ihr Partner in Lebensgefahr.

Um mit Syndey sprechen zu können, vergiftet sich Katya Derevko. Zur Behandlung wird sie aus ihrer Gefängniszelle gebracht. Schon kurz darauf stattet Sydney der Frau einen Besuch ab und erfährt dabei einiges über ihre Mutter. Währenddessen versucht Vaughn immer noch, die Wahrheit über seinen Vater herauszufinden. Anscheinend hat Sloane etwas mit der Sache zu tun.

Sydney und Vaughn erzählen Jack von der Verbindung zwischen Sloane und Vaughns Vater. Es gelingt ihnen sogar, Sloane deswegen unter Druck zu setzten. Dann erfahren sie, dass es einen Doppelgänger gibt, der sich als Sloane ausgibt und ihm etwas anhängen will. Die APO stellt dem Mann eine Falle. Der ist clever genug und entwischt ihnen.

Nadias frühere Mentorin Sophia hat ihren Schützling um ein Treffen gebeten. Sloane kommt dazu und Sophia erzählt ihm, dass sie zusammengeschlagen wurde. Der Angreifer wollte sie so zwingen, Nadias Aufenthaltsort zu verraten. Aufgrund dieser Geschichte beschließen Sloane und Jack, Nadia und Sydney endlich die Wahrheit über die Derevko-Schwestern zu erzählen.

Jack ist schwer krank und halluziniert. Dabei spricht er allerdings von einer Möglichkeit der Heilung. Sydney soll die Zeit rekonstruieren, als Jack für die CIA gearbeitet hat. Nur so kann sie denjenigen finden, der ihnen möglicherweise helfen kann. Dafür gibt sich die Agentin als ihre eigene Mutter aus.

Endlich konnten Sydney und ihren Kollegen Sloanes betrügerischen Doppelgänger dingfest machen. Er wird zum Verhör in die Räume der APO gebracht. Um jedoch hinter sein Geheimnis zu kommen, muss sich Sloane zunächst einer schmerzhaften Episode aus seiner Vergangenheit stellen.

Einige Rambaldi-Gegenstände sind verschwunden. CIA-Direktorin Hayden Chase hegt den Verdacht, dass der Alarm von Nadias Computer aus lahm gelegt wurde. Jack und Sloane dagegen vermuten, dass Sophia hinter dem Diebstahl steckt. Sie finden noch mehr heraus: Elena Derevko hat sich lediglich als Sophia ausgegeben, um sich das Vertrauen der APO-Mitglieder zu erschleichen und so an bestimmte Informationen zu gelangen.

Rambaldis Endphase beginnt: Ein roter Feuerball bewegt sich in Richtung Russland und führt dazu, dass die Bewohner der Städte verrückt werden. Dixon wird dabei verletzt, kann Sydney aber noch mitteilen, dass Irina noch lebt. Gemeinsam mit Jack und Nadia macht sich die Agentin auf, Irina zu suchen und herauszufinden, warum diese ihren eigenen Tod vorgetäuscht hat.