Sidney dà le dimissioni dalla CIA per poi entrare a far parte di una cellula segreta della stessa denominata APO ("solo personale autorizzato"). Lì lavora fianco a fianco con Jack, Vaughn, Dixon e... Sloane. Intanto, il segreto scoperto da Sidney mina la sua relazione con Jack.

Sidney, controvoglia, deve lavorare in squadra con suo padre per riuscire a catturare un moderno samurai. Intanto Nadia vorrebbe non ritornare a fare la vita della spia, ma è quasi costretta quando la vita di sua sorella è in serio pericolo.

Sidney deve riuscire a sedurre un pericoloso trafficante di armi per riuscire a mettere le mani su un dispositivo che è stato perso dall'NSA. Nel frattempo, Vaughn teme per la vita del suo amico Weiss, mentre Sidney e Jack sono in disaccordo sull'opportunità di dire a Nadia la verità su sua madre.

Sidney e Vaughn vengono inviati in missione dall'APO per rintracciare un'arma biologica di nuova generazione chiamata "ghiaccio 5" e che è in grado di rendere le persone letteralmente ghiacciate. I due scoprono che la sostanza sta per essere venduta a un acquirente a Damasco. Intanto, Nadia chiede a Jack la verità su sua madre, mentre Sidney si chiede se Vaughn sia ancora colpito dalla morte di Lauren.

Sidney e Vaughn vengono inviati in missione per infiltrarsi in un campo di addestramento del Contingente d'Ottobre. I due vengono condotti in un ex base militare ridisegnata per sembrare il classico sobborgo della periferia americana, dove devono sottoporsi a un addestramento che ha conseguenze potenzialmente mortali per i perdenti.

Dopo aver assunto involontariamente un allucinogeno, Sidney comincia a perdere contatto con la realtà. Jack e Vaughn devono riuscire a trovare il più presto possibile un antidoto, prima che le allucinazioni di Sidney mettano in pericolo la sua stessa vita e quella di coloro attorno a lei.

Mentre Sidney e Nadia discutono sul fatto di accettare o meno le attenzioni e le preoccupazioni paterne di Sloane, quest'ultimo è preoccupato per la vita di sua figlia quando viene inviata con la sorella in missione. Le due sono sotto copertura come due ricche ereditiere per scoprire un traffico di armi chimiche.

Sloane dà le dimissioni temporanee dal suo incarico e lascia il comando a Jack che deve gestire una missione che coinvolge Anna Espinosa, nemica storica di Sidney. Le cose si mettono male quando Anna riesce a catturare Nadia e a convincere Sidney a fare tutto cioè che lei desidera. Vaughn intanto fa visita a Sark per cercare di capire il modo per catturare Anna.

Mentre Nadia è ancora in coma, Sark viene portato all'APO per aiutare gli agenti ad infiltrarsi nel Fronte Rivoluzionario per recuperare una bomba. In cambio chiede di poter vedere il corpo di Lauren e che sia Vaughn ad aprire la bara. Intanto sembra che Nadia sia l'unica a possedere le informazioni per trovare la bomba e Jack deve prendere una decisione difficile.

Dixon convince Sidney ad aiutarlo a provare che Sloane sta in realtà facendo il doppio gioco e servendosi dell'APO per rubare un indice nel quale sono contenuti dei contatti e che il suo scopo sia quello di ricostruire l'Alleanza. Per questo Sidney si introduce in casa sua e mette sotto controllo il telefono, ma viene scoperta da Nadia. Nel frattempo Vaughn fa visita a suo zio, che è in stato comatoso, e scopre qualche informazione su suo padre.

Sidney si trova costretta a proteggere la vita di un civile che lei stessa ha messo involontariamente in pericolo. Nel frattempo Jack pianifica una visita per andare a trovare un vecchio amico, mentre Vaughn scopre altri particolari sulla vita di suo padre.

Nadia mette la sua vita (e quella di Sidney e Weiss) in pericolo quando fallisce nel tentativo di far chiarezza sul suo passato servendosi di un pericoloso criminale. Nel frattempo Vaughn incontra una persona che è collegata a suo padre ma anche a Nadia.

Dopo il fallimento di una missione, Sidney viene catturata. Nel frattempo Dixon viene contagiato da un agente patogeno rilasciato all'interno dell'APO che viene messa in quarantena. All'esterno, solo Marshall è in grado di poter salvare Sidney.

Sidney e Vaughn arrivano a mettere in pericolo la propria vita nel tentativo di scoprire la verità sul padre di Vaughn. Inoltre, si scopre la ragione per cui Jack e Sloane sembrano aver cospirato assieme contro Sidney e Vaughn.

Nel tentativo di parlare con Sidney, Katya Derevko viene avvelenata e portata fuori dalla sua cella. Katya rivela poi a Sidney che qualcuno ha cercato di incastrare sua madre con l'obiettivo di ucciderla. Nel frattempo Vaughn continua la sua ricerca delle persone che possono aver conosciuto suo padre.

Sidney e Vaughn parlano a Jack del coinvolgimento di Sloane nella ricerca del padre di Vaughn e del patto fatto da Irina sulla vita di Sidney. Tuttavia si scopre che il colpevole non è il vero Sloane, ma un altro uomo che si spaccia per lui. Sidney cerca di convincere il vero Sloane a rimanere a capo delle operazioni, ma Nadia ha paura che questo possa risvegliare la sua vecchia ossessione per Rambaldi.

La donna che ha cresciuto Nadia, Sophia Vargas, viene picchiata brutalmente e chiede aiuto a Nadia. La donna dice a Sloane che è stata aggredita perché qualcuno sta cercando di rintracciare sua figlia. Jack e Sloane decidono allora di raccontare la verità a Sidney e Nadia, una verità che coinvolge una terza sorella Derevko: Elena, la più crudele. Intanto il dottore di Jack gli consiglia di raccontare della sua malattia alla figlia.

La malattia di Jack gli ha causato allucinazioni sulla sua cura. Per questo, Sidney deve riuscire a ricreare la stessa ambientazione di quando suo padre lavorava per la CIA e si trova costretta a impersonare sua madre. Nel frattempo Sophia si trasferisce in casa di Sidney e Nadia.

L'APO organizza un piano per riuscire a catturare il falso Sloane a Parigi. Dopo che Jack riesce a capire come sia stato "creato" il finto Sloane, Marshall mette a punto un sistema in grado di farlo ritornare alla sua vera personalità, ma questo sistema mette a rischio la saluto del vero Sloane.

Dopo che avviene un furto al DSR e alcuni manufatti di Rambaldi vengono rubati, il direttore della CIA Chase scopre che i sistemi di allarme sono stati disattivati dal computer di Nadia. Presto arrivano anche Sloane e Jack che sospettano subito che Sophia possa essere in realtà Elena Derevko.

Il catastrofico disegno di Rambaldi viene messo in atto e viene scoperto una versione gigante del dispositivo del cerchio d'acqua su una città in Russia. Intanto Dixon, ferito, rivela che Irina è ancora viva e Jack, Nadia e Sidney si mettono sulle sue tracce. Irina sembra aver lavorato contro la Convenzione e sua sorella e soprattutto per prevenire la messa in atto del disegno di Rambaldi.