Laura spara contro la figlia. Dixon rivela a Sloane di essere certo del fatto che Syd sta facendo il doppiogioco. Quest'ultima deve scoprire se Vaughn è ancora vivo. Dopo la morte della moglie, Sloane entra a far parte dell'alleanza. Will ritratta quanto scritto sulla SD-6. Laura / Irina si arrende alla CIA.

Sydney deve scoprire se il gesto compiuto da sua madre è davvero sincero o l'ennesimo tentativo di ucciderla. Sloane spedisce Sydney a recuperare un disco contenente alcune informazioni compromettenti. Will decide di aiutare Francie nel progetto del ristorante.

Dopo 20 anni, Jack e Laura si rivedono per la prima volta. Will incontra Vaughn, il quale lo sottopone ad una seduta di ipnosi regressiva. In una nuova missione, Syd deve battere in astuzia Sark, il suo nemico giurato. L'obiettivo è un carillon, il cui suono è in realtà un codice numerico.

Per allontanare Sydney da sua madre, Jack è costretto a prendere una drastica decisione. Will è avvicinato da una donna che crede alle cospirazioni. Ma in realtà si tratta di un'agente della SD-6 mandata da Sloane per testare Will. Dixon indaga sull'origine di una telefonata sospetta per Sloane.

Sydney scopre un terrificante segreto quando viene mandata in missione per neutralizzare una nuova generazione di armi. Sloane racconta a Jack la verità sulla morte di Emily. Will dà una mano a Francie che sta per inaugurare il suo ristorante.

Jack decide di fare un grande sacrificio quando la fiducia di Syd nei suoi confronti sta per venire meno. Sydney e Vaughn sono stati esposti ad un mortale virus mentre si trovavano a Taipei. Ancora ossessionato dai suoi demoni, Sloane comincia a crollare. Vaughn chiede aiuto a Will per risolvere un caso.

Sydney deve trovare una cura per Vaughn, il quale è stato infettato mentre si trovavano a Taipei. Ma per trovare un antidoto, Syd è costretta a venire a patti con Sark; intanto Will continua la sua ricerca per Vaughn e scopre alcune evidenti discordanze riguardanti alcuni test di intelligenza.

Sydney, Jack e Irina devono fare la parte della famiglia felice in una missione sotto copertura avente lo scopo di sottrarre sei testate nucleari in mano ad una fazione nemica. Sloane ha deciso che Sark lavorerà per la SD-6. Vaughn allontana Will dalla sua ricerca. Emily Sloane potrebbe essere ancora viva.

La lealtà di Irina viene messa in discussione quando la donna, durante la missione sotto copertura, incontra Gerard Cuvee. Sloane informa l'Alleanza sul fatto che Emily potrebbe essere ancora viva.

Jack incontra Ariana Kane, un'agente dell'Alleanza mandata per investigare sulle circostanze che hanno condotto alla scomparsa di Emily Sloane. Marshall deve affrontare la sua prima missione insieme a Sydney. Will si sottopone ad un test psicologico della CIA, mentre Francie diviene sospettosa.

Dopo aver completato la sua prima missione la vita di Marshall è in serio pericolo. Il primo sospetto in merito alla scomparsa di Emily Sloane è Jack Bristow. Vaughn scopre la verità in merito al coinvolgimento di Jack nell'omicidio dell'agente della CIA Haladki. Sydney confida a Francie i suoi sentimenti per Michael.

Ariana Kane decide di servirsi di Sydney per rintracciare Jack che è fuggito, mentre questi chiede aiuto ad Irina per scoprire chi sta ricattando Sloane. Sydney e Vaughn rischiano di mettere in serio pericolo le loro posizioni quando decidono di cenare insieme, in missione, in un romantico ristorante di Parigi.

Sloane è scomparso ed il suo posto viene preso da Geiger. Questi nutre dei sospetti nei confronti di Sydney e suo padre. Will lascia il ristorante di Francie e i due si scambiano un bacio romantico. Geiger legge una e-mail di Sloane che rivela chi sono gli agenti doppiogiochisti.

Dopo aver sgominato l'intera rete dell'Alleanza, Sydney, Vaughn e Jack devono stabilire se l'agente Lennox, la cui missione sotto copertura è appena stata compromessa, dice la verità oppure sta mentendo.

Sydney deve decidere in merito al suo futuro. Sloane le rivela di avere sempre saputo la verità e di averla usata per liberarsi una volta per tutte dell'Alleanza. L'uomo intende scoprire cosa si cela dietro una nuova invenzione di Rambaldi e si serve di un brillante scienziato che è stato minacciato.

Sloane si prepara a testare l'arma di Rambaldi e prova a convincere Kabir a diventare suo partner nel piano nefasto. Vaughn chiede aiuto a Will, mentre viene individuato quello che è l'obiettivo scelto da Kabir come prova. Vaughn chiede a Dixon di salvare Syd, mentre Sloane trova la pagina mancante.

Un agente della CIA chiede a Sydney di indagare su alcuni movimenti sospetti di Vaughn. Irina si reca a Bangkok per incontrare una persona che potrebbe essere collegata al manoscritto. Vaughn tranquillizza Sydney. Irina tradisce tutti e consegna il manoscritto nelle mani di Sark e Sloane.

Jack informa Sydney del tradimento di Irina. Sloane in Toscana si ricongiunge con la moglie Emily. Jack riceve ordini da Kendall di ritrovare Irina, la quale è a Stuttgart insieme a Sark. Will ha scoperto cosa contengono i dati che ha esaminato: si tratta del DNA di milioni di cittadini. Syd è sulle tracce della madre Irina.

Dopo che ha accidentalmente ucciso Emily, Dixon chiede di essere riassegnato, mentre Sloane medita vendetta. Irina consegna a Neil Caplan i dati del DNA per individuarne uno specifico. Syd scopre che la moglie di Caplan è un'agente SVR. Sloane contatta Francie ed individua l'assassino di Emily.

Una profezia di Rambaldi preannuncia una nuova ed imminente catastrofe. Ci sono solo 48 ore per prevenire il nuovo disastro. Syd e Dixon si recano a Panama City. A causa del suo stato mentale, Vaughn agisce per allontanare Dixon dalla missione. Sloane si reca in Himalaya alla ricerca di risposte da un monaco.

Will potrebbe essersi compromesso e Jack prende le necessarie contromisure. Francie ha fatto in modo che Will risulti essere il colpevole dell'omicidio di Diane. Così il giovane viene mandato in un campo di prigionia, ma riesce a fuggire durante il trasporto. Sloane vuole fare un patto con Jack Brystow, ma questi si rifiuta.

Will indaga su Doren e scopre che si tratta di Francie. Sloane cattura Jack e lo informa che la macchina di Rambaldi è quasi pronta. Syd neutralizza la falsa Francie, subito dopo si risveglia in una strada di Hong Kong, dove Vaughn le annuncia che era stata data per morta, dispersa in azione da ormai due anni.