卡拉一行人抵达利维坦藏于地下的母舰上挽救濒死的布莱尼，但逃过一劫的葛曼妮返回船上大开杀戒，众人联手将反生命方程式输入母舰主机而彻底消灭她。但这时，雷克斯透过装有利维坦力量的收藏瓶与自身融合而获得超能力，下一步准备透过黑曜石企业的链接使所有上线的用户变成自己的支持者，再靠自己环绕地球的一系列攻击型卫星歼灭全球所有“非支持者”；甚至声言将不会止步于地球。

卡拉掉进漫无边际、时间不流逝的幻影区，醒后发现自己身边布满居于黑暗的恐怖生物“魅影族”，恐惧开始在她的脑中挥之不去。就在卡拉快支撑不住时，她本应在氪星爆炸时牺牲的生父佐·艾尔救下她，其在星球爆炸时逃至幻影区逃过一劫，但也变成他的不归路。对再次见到父亲感到欣喜的卡拉，交代自己这多年来在地球上的经历以及阿尔戈市幸免于难的喜讯后，开始想方设法带父亲逃出去，然而无论尝试多少次都寸步难行。

附身于萨拉斯而逃至人类世界的魅影族首领，靠吸收萨拉斯以及一部分市民的生命力汲取能量，同时将所有受害者转化为听命于他的同类。祸不单行的乔恩一行人开始想办法补救局势，将一部分受害者关押起来直到危机结束，调查得知魅影族曾为一群以吸食恐惧为生、流离失所的黑暗外星族群。

莉娜离开家族企业后正式加入超女团队，帮众人制造出一把能捕捉魅影族的武器，包括一部能找出卡拉所在位置的DNA追踪仪器。然而，魅影族首领开始大范围感染市民，同时靠汲取更多人类的生命力而变得更为强大，莉娜自责间接造成卡拉被雷克斯送入幻影区，因此急切想将她救出来，但艾莉丝为了终结魅影危机而决定牺牲这次机会，将仪器用在打败魅影族的战斗中。

妮雅和布莱尼搭乘超级英雄军团舰船时间旅行至2009年的米德维尔镇，然而舰船重要机件却在穿越过程中受损，两人甚至发现他们比计划早一天到达。两人下船后撞见高中时期的卡拉、刚读一年学院而回老家探访的艾莉丝、包括卡拉在原始宇宙中死去、在新宇宙中复活的同伴兼男友肯尼·李。

卡拉跟随动静而救出受困的妮雅和布莱尼，托克二人被锁入自己的船中，布莱尼同时将船的航线设定为他们隔天即将被外星作戰部捕获的地点以恢复时间线。但躲在一旁靠无人机拍下一切的凯特无意间找到隐形船而不慎释出托克二人。

随着妮雅和布莱尼完成三天的任务后顺利归来，乔恩迅速将整座指挥塔变形成太空船开入幻影区中，再靠抓获的魅影族首领的追踪本能一路冲向卡拉的所在位置。艾莉丝一行人为这次救援行动做好充足的装备及心理准备，同时深知他们仅有两小时的时间，错过这次时机则会永远失去卡拉。

卡拉和佐·艾尔父女逃脱幻影区后稍作休整不久，被艾莉丝一行人欢庆归来，而佐·艾尔决定前去阿尔戈市前体验一下地球的生活，隔天乔装成卡拉的亲戚一同造访凯特企业。当时企业在媒体业排行榜上下跌，安卓莉亚命令刚回归工作的卡拉追寻先前发生的魅影族袭击事件。

凯莉开始从事社工工作，负责帮助一名超能力失控的寄养外星小孩乔伊，跟他沟通后得知他在担心正在坐牢的哥哥奥兰多。卡拉协助凯莉来到奥兰多服刑的监狱了解情况，得知奥兰多身为监外就业计划的参与者之一，但认为情况另有隐情而换装跟上去，发现监狱其实利用奥兰多在内的外星囚犯靠超能力进行脏弹材料偷盗工作。

妮雅将妮可西带出梦境领域，妮可西虽然兑现带回其母一天的承诺，然而声言自己仍会继续留在现实。妮雅意识到自己闯祸却无法挽回，发现自己同样会困在魔法阵界中一整天，但也如愿以偿见到母亲伊莎贝。

妮可西试图将跟随召唤现身的怪杰先生吸入一颗水晶球中，迫使怪杰先生先将卡拉救出束缚后撤回指挥塔，怪杰先生透漏妮可西准备凑齐散播在地球各处的七个图腾，加上怪杰先生家族血脉来重新制出具有超群魔法力量的“全能石”（Allstone）。

凯莉目睹奥兰多和乔伊即将搬入的新公寓楼瞬间倒塌，导致乔伊等大量住户收到波及而受伤，随着医院人满为患、器材又周转不及，其他战友则全部忙于抓捕始作俑者妮可西，使陷入无助的凯莉背负巨大压力。

莉娜结束旅程归队后协助卡拉寻找勇气图腾，然而找寻图腾犹如大海捞针，而妮可西抢先用水晶球找到图腾所在，闯入国际市博物馆抢走作为图腾的文物。卡拉一行人及时到场拦截，过程中用热射线将图腾一分为二，导致一股五维能量释放出来波及周边大量群众。

卡拉为寻找妮可西下落以及其他图腾所在而感到焦头烂额时，妮可西闯入国际市体育场夺得“人性”图腾，当时作为一名武术家随身携带的大菩提树木片护身符。而图腾考验却是让妮可西自身汲取周边人的人性及同理心，导致所有受能量波及的市民开始失去理智、互相攻击，逐渐演变成全城暴动事件。

众人得知妮可西曾去过希望图腾所在的荷兰海牙，然而妮可西使用武器化的勇气图腾护身而现身准备再次抢夺，但希望图腾在通过考验前会保持原封不动的状态，妮可西仅能先撤退而跟卡拉竞争谁先通过考验。本身代表希望的卡拉无论如何尝试都无法通过考验，而勇气图腾释放的能量开始波及同一栋楼中的卡兹尼亚与科多蒙提兹两大国的外交会议，导致两国逐渐谈不拢而升级成核战争。

妮可西换上匿名崇拜者提供的战甲听到自身映出的“心声”，接受指引而攻入一间梦境研究所窃取进入梦境领域的传送门技术。卡拉一行人没来得及阻止她进入领域，传送门的开启同时释出一只作为“恶梦结合体”的巨怪，由于巨怪即将侵袭国际市核电站，无从选择的卡拉一行人被迫将半座城市用防护圆顶围住以防止巨怪出逃。

雷克斯供述自己这段期间穿越至三十一世纪，曾在未来世界与妮可西相爱，并告知她拼凑全能石的计划最终会走向完败，因此自愿指引这个时代的她迈向成功；而先前的“心声”则是雷克斯所保留的未来妮可西之意识。但妮可西仍决定单干，之后却被超女一行人靠莉娜用魔法仿制的假“爱情”图腾引出，险些被擒之下还是被雷克斯搭救。

威廉经过与奥提斯的私下会面得到关于雷克斯正在备战的重要情报，迅速告知超女一行人时，却得知安卓莉亚利用自己的名义对媒体公开她之前偷看的雷克斯日记内容，当中描述雷克斯对妮可西的爱意。威廉斥责安卓莉亚的自作主张，雷克斯同时也恼羞成怒。

莉娜陪伴养母莉莉安直到逝世，其死前表示自己隐瞒莉娜身世的歉意，希望莉娜从此放飞自我。卡拉靠精神联系全人类发表“创历史性”的庄重演讲，重新激励全人类的希望、勇气等等本质，进而弱化雷克斯和妮可西的力量。