サード・シーズン。チームは時間軸を壊してしまったことに気づく。その時、新たに設立された時空局と共にリップ・ハンターが現れ、彼らがチームの任務を引き継ぐと言い出す。そんな中、ロリーがジュリアス・シーザーをアルバで見かけ、新たな脅威の存在が明らかになる。サラとレイは、再びチームが集まれることを喜び、時空局からウェーブ・ライダーを盗み出す計画を練る。

味方になった時空局の局員が困った様子で電話をかけてくる。電話を受けたサラは、時空局が未来へ行き凶悪なタイムトラベラーを捕まえるという任務を命じられたことを知る。だが、チームがタイムトラベラーの殺し屋をおびき出そうと、ザリ・トマズという無法者を守ろうとしたことから、事態は悪化する。一方、ネイトは一風変わった治療法を見つけ、アマヤは渋々ながらもその治療を受ける。

時間軸を壊してしまったが故に、レイ・パーマーが死んでしまうことを知るチーム。彼らは急いで1988年に戻り、レイの命を救おうとする。1988年では若きレイ・パーマーが、違う時間軸に来てしまったドミネーターの赤ちゃんと仲良くなっていた。一方ロリーとジャックスは、シュタイン教授が秘密のプロジェクトを始めたことから、彼に警戒心を抱くようになる。

ネイトはアナクロニズムに法則性があると考え、チームは1897年のロンドンに向かう。彼らはタイムトラベラーのバンパイアを捜し出して捕らえようとするが、そこでリップ・ハンターに遭遇する。だが、チームの中には彼を受け入れられない者もいたため、サラは困難な選択を強いられる。一方シュタイン教授は、レイとジャックスの企みを知り、渋い顔をするのだった。

チームはアナクロニズムを追って1930年代のハリウッドへ向かう。そこでは違う時間軸に来てしまったトロイのヘレンが、２つの映画スタジオの間に争いの火種をまいていた。チームはヘレンを青銅器時代に送り返そうとするが、突然現れたかつての敵に不意を突かれる。サラはある申し出について悩む。それを受け入れるとアナクロニズムを放置することになるのだ。

チームは新たなアナクロニズムを見つけて、戦争真っただ中のベトナムのジャングルにたどり着く。レイ、アマヤ、ザリはジャーナリストになりすまし、ジャングルを進んでいたが、彼らは違う時間軸に来てしまったゴリラ・グロッドのもとへ向かってしまう。一方ネイトとロリーは、ロリーの知り合いにばったり会い、ロリーの過去を垣間見ることになる。

「ARROW/アロー」「SUPERGIRL/スーパーガール」「The Flash/フラッシュ」「レジェンド・オブ・トゥモロー」の壮大な４話クロスオーバー。バリー・アレンとアイリス・ウェストの結婚式でスーパーヒーローたちが集う。だがアースＸの悪党たちに攻撃されたため、式は中断される。ヒーローたちは、シチズン・コールドやザ・レイなどの力を借りて一丸となり、これまでで最も手強い敵に立ち向かっていく。

チームは、バイキングたちが開拓していた新世界にアナクロニズムが出現したことを知り、調査する。そして、バイキングがある物を神として崇めていることに気付き、その出所を知って驚く。一方、ジャックスは歴史を変えてしまうような抜け穴を見つけるが、彼にはリスクを負う覚悟ができているのだろうか？

サラがマラスと遭遇したあと、チームのもとにオカルトに精通する探偵ジョン･コンスタンティンがやって来る。チームはコンスタンティンに付き添い、現代の精神科病院に行くが、彼が誰を救おうとしているのかを知り驚く。悪魔払いの最中に、サラ、レオ、コンスタンティンが行方不明になり、レイとザリがコンスタンティンの依頼人に対応する。一方、アマヤとネイトは再びクアサと対面する。

チームが任務から帰還すると、ザリは自分がタイム･ループに閉じ込められていることに気付く。タイム･ループのせいで、ウェーブ･ライダーは何度も爆発していた。そのうちザリは、誰かがタイム･ループを止める鍵を持っているのではないかと思い始める。そして、チームメンバーのことを調べていくうちに、ザリはチームにおける自分の立ち位置を理解する。

サラはレジェンドとしての活動を休み、プライベートの時間を取ることを決意する。一方、チームは長らく行方不明になっているアース･トーテムの手がかりを捜し出そうとする。チームは黒ひげの財宝を見つけるため、1717年へと向かうが、いつものように事態は悪い方向へ展開してしまう。レイは自分のある行動に罪悪感を覚え償おうとするが、そのせいでさらに大きな問題に巻き込まれる。

ダミアン･ダークとノーラ･ダークがレイを人質に取り、ファイヤー･トーテムを直させようとする。だがレイは、２人が繰り広げる権力闘争を利用し、自分に有利になるよう仕向ける。そして、レイとノーラは1960年代の東ドイツに行きファイヤー･トーテムの修理を試みるが、そこで今より若く、さらに危険なダミアン･ダークと対面してしまう。一方サラは、プライベートで前向きな一歩を踏み出していた。

チームは1954年に起こった不可解な事件がメンフィス、つまりロックンロール発祥の地であったはずの街の歴史を、一変させてしまったことを知る。そして、音楽を救うという重要な任務の遂行に取りかかる。ネイトは気付けばロック界のレジェンドと、６つ目であり最後のトーテムであるデス･トーテムにたどり着いたことに驚き、興奮する。一方、ザリは新入りのメンバーがチームになじめるよう手助けをする。

再びマラスによる影響が現れてきたサラ。彼女は、知らぬ間にあるトーテムを所有してしまう。また、ロリ－はトーテムの能力を使いこなすために自分の中の闇と向き合い、乗り越えなければならない。一方、時空局員のシャープは何かがおかしいと気付く。そして彼女は意外な人物に協力を要請する。

エーヴァが行方不明になってしまう。サラとレイは時空局員のゲーリーに詰め寄ってエーヴァに関する気がかりな事実を知り、エーヴァの行方を追う。ロリーが自分のトーテムの能力をコントロールできるよう、アマヤはザリにロリーの訓練を手伝うという任務を与える。一方、ネイトとウォリーはトーテムを見つけるための任務を開始するが、意外な人物と組むことになり計画はうまくいかない。

時間軸が非常にもろくなっている今、チームはマラスを食い止めるために２つのアナクロニズムを同時に解消しなければならない。サラとリップ･ハンターは、グロッドが標的を追うのを阻止するために協力する。ネイトとウォリーは、アマヤが自分の未来を変えるのを止めようとする。一方、チームはマラスを倒す方法を見つけるが、それを実行するためには敵と同盟を組み、協力しなければならない。

トーテムの力を使ってマラスを倒そうとするチームの計画が予定どおりにいかず、リップ･ハンターは機転を利かせて計画を進める。そして、西部開拓時代で再編成したチームは、昔からの友人ジョナ･ヘックスと再会する。サラは、新たな計画を練る間、ダミアン･ダークを見張るようレイに伝える。一方アマヤは、トーテムを使ってマラスを破壊する方法を見つけようと奔走していた。サード･シーズン最終話。​