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Sydney e Vaughn sopravvivono al tremendo incidente automobilistico. Sydney scopre che l'uomo che più di ogni altro le è rimasto accanto potrebbe essere un agente doppiogiochista. Non solo: Sydney ora aspetta un bambino da lui. I due indagano su di un vecchio progetto noto come Quinto Profeta. Vaughn rimane seriamente ferito durante la consegna di un libro. Morirà poco dopo in ospedale.

Sydney collabora con Renee Rienne, una fuggitiva sulla lista dei ricercati della CIA, per individuare Gordon Dean. La pista conduce ad un mercante di armi con il quale Dean sta facendo affari tramite Curtis. Quest'ultimo ha appena comprato del materiale pericoloso per alimentare un'unità criogenica. Jack assume un nuovo agente di nome Thomas Grace, mentre Weiss ottiene una promozione

Sydney e Grace scoprono che Rachel Gibson, una spia accusata di tradimento, ha molto in comune con Sydney. La ragazza è infatti convinta di lavorare per una divisione occulta della CIA. Dixon accompagna Sloane, il quale ha ottenuto un permesso dalla prigione di 48 ore allo scopo di acquisire una possibile cura per la figlia Nadia. In realtà, Sloane cade in una trappola tesagli da un padre ferito.

La vita di Sydney è in pericolo quando Gordon Dean scopre che Rachel è ancora viva ed è fuggita grazie agli uomini della APO con i fondi segreti della sua organizzazione. Nel frattempo, Sloane attende con trepidazione la sentenza del suo processo. Ma la visita in prigione di un emissario di Gordon Dean sembra volgere la situazione a suo favore, non senza un'adeguata contropartita.

Sydney e Tom scoprono che Renee ha aperto il contenitore criogenico ma finiscono con il ritrovarsi sotto assedio di un gruppo di mercenari che vogliono a tutti i costi entrare in possesso di quanto si trovava all'interno del container: il corpo del padre della ragazza. Sloane minaccia la figlia del membro di una commissione governativa al fine di ottenere un pieno reintegro all'APO.

Sydney accompagna con la sua voce una nervosa Rachel durante la sua prima missione in solitaria su di una piattaforma petrolifera dove ha trovato rifugio un costruttore di armi. Sloane deve decidere se tradire o meno la fiducia che si è appena guadagnata presso l'APO onorando l'accordo che ha siglato con Gordon Dean. Lo informa perciò della imminente impresa della Gibson.

Sloane confessa a Jack di essere in contatto con Gordon Dean e così Sydney e gli uomini della APO tentano di catturare l'uomo e scoprire per chi sta operando. Per continuare a tenere in scacco Sloane, il gruppo Quinto Profeta dimostra di possedere una cura per Nadia. L'uomo cerca in tutti i modi di mantenere il controllo.

Durante una missione, Rachel entra in contatto con Sark. Così lei e Sydney sono costrette a collaborare con l'uomo per impedire che una bomba mortale finisca nelle mani di un pericoloso mercenario, il quale nel frattempo ha catturato Jack ed una sua collega dell'MI6.

Sydney viene rapita e fatta cadere in uno stato ipnotico al fine di recuperare alcune informazioni dal profondo della sua mente. I rapitori si servono dei più bei ricordi inerenti Vaughn. Ma, all'insaputa di Sydney, la persona che muove le fila di tutto è un volto familiare che ha alcuni interessi su di lei e sul bambino che deve ancora nascere: sua madre Irina.

Quando una squadra APO rimane bloccata nel quartier generale della CIA a Langley, Jack chiede aiuto a Weiss. Tom compie una serie di azioni sospette per recuperare alcuni dati sul programma di protezione testimoni. Ancora prigioniera sulla nave cargo, Sydney viene sottoposta ad una procedura chirurgica d'urgenza per salvare il suo bambino.

Irina riappare a casa di Sydney. In seguito, le due donne e Jack si recano a Vancouver per recuperare "Orizzonte". Durante la missione, Irina rivela il suo ennesimo doppio gioco e Sydney entra in travaglio. Con l'aiuto dei suoi genitori, la ragazza dà alla luce una bambina. Un uomo in Bhutan riceve delle buone notizie: si tratta di Vaughn, vivo e vegeto e ora anche padre.

100° episodio. La maternità di Sydney è davvero di breve durata: la giovane viene a sapere che il suo vecchio amico Will Tippin è stato rapito da Espinosa. La squadra APO riesce a liberarlo per poi scoprire che al giovane è stato piantato un ordigno nel cranio. Sloane è ad un passo dall'ottenere la tanto agognata cura per Nadia. Espinosa si sottopone ad un esperimento dagli esiti sconcertanti.

Sloane decide di usare la cura per Nadia che il Quinto Profeta gli ha fornito. La squadra APO si mette sulle tracce di Espinosa, ma la caccia lascia una vittima sul campo. Un drammatico confronto fra Sloane e Nadia su Rambaldi si conclude con la morte di quest'ultima. Sloane si unisce al Quinto Profeta per concludere le sue ricerche sulla misteriosa Pagina 47.

La disputa fra Sydney e una fisicamente alterata Anna trova nuovo terreno di scontro quando uno strano chip di computer, strettamente collegato a Vaughn, viene rinvenuto all'interno del corpo senza vita di Renée. Sloane continua le sue ricerche, ma è tormentato dalla visione di Nadia. Jack rivela al gruppo APO che Vaughn è ancora vivo. La morte di Anna potrebbe essere un vantaggio per Syd.

Sydney continua a spacciarsi per Anna così da poter individuare gli scopi segreti del Quinto Profeta. L'agente è costretta a fare coppia con Sark per rintracciare l'indizio finale di Rambaldi prima dei suoi avversari. I due finiscono in una prigione italiana. Vaughn vede Isabelle per la prima volta. Rachel scopre che Tom sta facendo indagini per scoprire il mandante dell'omicidio della moglie.

Sloane prende in ostaggio Marshall e Rachel allo scopo di individuare l'ultimo indizio cruciale nel gioco di Rambaldi. La squadra APO tenta di bloccarlo e così Sydney e Vaughn raggiungono la vetta di una montagna in Italia per impedirgli di portare a termine il suo piano. Nel frattempo, Peyton uccide i membri del Quinto Profeta e Sark attacca la sede APO. Per salvare tutti, Tom è costretto al sacrificio.

Series Finale. La battaglia finale si svolge in Mongolia, dove Sloane ha rinvenuto la tomba di Rambaldi, si prepara ad utilizzare l'Orizzonte e a scatenare una strage mediante un doppio attacco missilistico. La lotta per fermare lui e la sua complice Irina richiede il sacrificio estremo di Jack. Sette anni dopo, Sydney e Vaughn sono felici su una casa sulla spiaggia insieme ai loro due bambini.