Dopo aver ricevuto alcune spiegazioni da Vaughn, Syd decide di fuggire, ma viene fermata e portata in ospedale, dove scopre che suo padre è in prigione. Per ottenere la sua scarcerazione, Syd partecipa ad una missione per recuperare un chip. Jack mostra alla figlia un filmato dove lei sta uccidendo un diplomatico russo.

Syd va ad abitare in un appartamento vicino a quello di Weiss e decide di non rivelare quanto ha scoperto sul suo conto. Dixon le consiglia di entrare in terapia. A Monaco, Brystow recupera un pacco contenente la testa di un agente CIA. La Convenzione vuole scambiare un prigioniero con Sark. Vaughn torna all'agenzia.

Il Gorky Park di Mosca è stato colpito da un satellite in caduta libera. Syd ha una accesa discussione con Lauren a proposito della cattura di Sark. Jack continua ad indagare sulla morte di Lazarey. Sark prova a recuperare Medusa, un vecchio programma della SD-6. Syd e Vaughn sono di nuovo insieme in missione.

Sydney si infiltra in un gruppo che sta trafficando armi biologiche. Qualche dettaglio del passato riaffiora quando questa incontra Simon Walker. Jack, dopo aver manomesso il filmato della morte di Lazarey decide di conferire con Dixon per proteggere Sydney dal CSN. Per salvarlo, Syd è costretta ad accoltellare Vaughn.

Weiss rintraccia Vaughn che è stato colpito da Sydney. Walker scambia l'arma biologica con Sark in anticipo. Jack incontra Walker per saperne di più su Sydney ma viene scoperto. Syd e Marshall vanno in missione a Osaka per disabilitare un virus. Sark aiuta Kazari Bomani a vendicarsi dei torti subiti da Arvin Sloane.

Durante una missione a Milano, Syd si imbatte di nuovo in Allison Doren, che ora è divenuta una figura chiave nel gioco della Convenzione. Le indagini di Lauren sulla morte di Lazarey la conducono vicino a Sydney. Quest'ultima viene assegnata a Sloane, che continua il doppio gioco con la Convenzione.

Jack prende drastiche misure affinché il CSN non scopra il coinvolgimento di Syd nella morte del diplomatico russo. Ma la sua azione provoca scompiglio nel matrimonio fra Vaughn e Lauren, la quale è ad un passo dalla verità. Sydney va in missione con Sloane allo scopo di ottenere il sistema operativo di un'arma mortale.

Scoperta la verità sulla morte di Lazarey, Sydney viene presa in custodia dal CSN. Jack e Vaughn scendono a patti con Sloane per liberare la ragazza. Lauren viene messa di fronte ad una scelta difficile. Torturata, Sydney sta inoltre per essere sottoposta ad una terapia chirurgica invasiva allo scopo di recuperare la memoria.

Sydney accetta di sottoporsi ad una terapia sperimentale condotta da un eccentrico dottore. Ma la mente di Sydney si dimostra molto resistente alle sollecitazioni. Lindsey fa un accordo con Sloane: il suo silenzio in cambio della morte di Sydney Brystow.

Per scoprire qualcosa di più su di St. Aidan, Sydney sottrae Will dalla custodia protettiva. I due vanno in missione e recuperano un cubo contenente il DNA di Rambaldi. Inoltre si imbattono in Allison Doren. Lindsey arresta Jack e Vaughn per la fuga di Syd. Sark uccide il dottor Brezzel. Sark ha rapito il redivivo Andrian Lazarey.

Sydney viene drogata, poi si risveglia su un aereo. Qui Kendall le racconta per filo e per segno i due anni trascorsi. Dal lavaggio del cervello al lavoro svolto per la Convenzione e la CIA. Il piano di questi ultimi prevede la fecondazione di un ovulo di Sydney col DNA di Rambaldi. Il piano viene sventato. Lauren uccide Lazarey.

Jack contatta una donna che potrebbe aiutarlo a liberare Sydney e Vaughn, che sono stati fatti prigionieri in Nord Corea. La donna in questione, Katya Derevko, la sorella di Irina, vuole in cambio da Jack una contropartita: la morte di Arvin Sloane.

Sydney e Vaughn vengono incaricati di recuperare un'agenda contenente i nomi dei capi di sei cellule della Convenzione. Sydney e Weiss tentano di convincere Cummins a collaborare con la CIA. Carrie entra in travaglio durante una missione. Lauren e Sark iniziano ad uccidere i capi delle cellule della Convenzione.

Mentre cercano di recuperare una bomba al plasma, Sydney e Vaughn scoprono di avere altri due pericolosi rivali, che altri non sono che Lauren e Sark. Sloane rivela un segreto al dottor Barnett: ha avuto una relazione con Irina Derevko. Marshall comincia a fare il papà a tempo pieno del neonato Mitchell.

Sydney e Vaughn devono convincere Daniel Ryan che sono parte della Convenzione, al fine di assicurarsi la collaborazione dell'uomo ed evitare un'esplosione. L'uomo accetta, ma in realtà egli ha concepito una vendetta contro la Convenzione, poiché ritiene gli uomini di quest'ultima i diretti responsabili della morte del fratello.

Sydney e Vaughn devono impedire che Bomani s'impossessi delle chiavi della scatola di Rambaldi. Jack rivela al senatore Reed i suoi sospetti su Lauren. Sark ordina che quest'ultima uccida suo padre, ma a compiere l'omicidio ci pensa la madre di Lauren. Vaughn prende una decisione definitiva sul suo matrimonio con Lauren.

Sydney e Jack provano a mettere in guardia Vaughn circa i loro sospetti su Lauren. Nel frattempo debbono fermare un piano della Convenzione che ha come obiettivo l'ennesimo virus informatico. Bomani e Sark hanno il cuore che permette alla macchina di Rambaldi di fornire alcune informazioni sul Passeggero.

Jack e Syd vengono a sapere della relazione fra Sloane e Irina. Vaughn scopre il tradimento di Lauren. Jack si rifiuta di aiutare Sloane, che sta per essere giustiziato. Sark rapisce Conrad. Vaughn e Sydney provano a liberarlo, ma Sark lo uccide. Prima di morire, Conrad rivela a Sydney che il Passeggero è sua sorella.

Sydney va in Cecenia per liberare la sorella, che è detenuta in un campo di prigionia. Vaughn viene rapito e torturato da Lauren e Sark che vogliono sapere dov'è il Passeggero. Sloane informa Sark ed approfitta di una irruzione per scomparire con la figlia Nadia. Vaughn implora Sydney di non cercare la sorellastra.

Con l'aiuto di Katya e Toni, Sydney e Vaughn tentano di catturare Sloane e Nadia e fermare nel contempo un vecchio nemico. L'ossessione di Vaughn per Lauren comincia a consumare l'uomo. Katya è attratta da Jack. Sotto l'effetto dell'elisir, Nadia comincia a tracciare l'equazione di Rambaldi.

Travestita da Syd, Lauren penetra nella base CIA e sottrae i calcoli sull'equazione di Rambaldi. Nadia deve decidere se fidarsi o meno di Sloane. A Palermo, ha luogo lo scontro finale tra Sydney e Lauren. In un caveau di Wittenberg, Sydney compie una scioccante scoperta.