Lorsque Danny, son fiancé, lui demande de l'épouser, l'étudiante Sydney Bristow décide de lui révéler qu'elle mène une double vie et travaille pour une division secrète de la CIA. Mais ceux qui l'emploient font alors assassiner Danny...

Sydney est d'autant plus anéantie par la mort de Danny, assassiné par le SD-6, qu'elle se sent responsable. La jeune femme n'est pas au bout de ses surprises, ni de ses déceptions. Son père Jack lui avoue qu'il est lui aussi membre de cette organisation, mais il prétend avoir tout fait pour sauver Danny. Il lui révèle que le SD-6 mène en réalité des missions antigouvernementales. Choquée, Sydney décide de lutter désormais contre la cellule secrète. Elle prend contact avec la CIA, qui lui propose de travailler comme agent double : la voilà agent de la CIA, infiltrée au SD-6...

Après avoir échappé aux soldats d'Hassan, Sydney parvient à quitter l'Egypte en possession de l'arme nucléaire qu'elle était venue chercher. A son retour, le SD-6 lui demande de s'envoler pour l'Espagne afin de récupérer la deuxième partie d'un croquis dessiné il y a plus de 500 ans par Milo Rambaldi. Ce pape visionnaire avait composé, au dos de deux esquisses, un code binaire indéchiffrable pour le SD-6. Sydney s'invite à un cocktail donné par son actuel propriétaire, le vice-chancelier espagnol. Alors qu'elle parvient à s'introduire dans la salle des coffres, elle tombe nez à nez avec sa vieille ennemie, Anna Espinosa. L'espionne cubaine, au service du KD, lui souffle la mallette qui contient le précieux code...

Malgré leur haine réciproque, Sydney et Anna collaborent : Anna se charge de la clé, Sydney de la mallette. Mais le système d'ouverture, piégé, efface progressivement le code binaire. Les deux espionnes le mémorisent rapidement. Sydney en réserve la primeur à la CIA avant de le transmettre au SD-6. De plus en plus mal à l'aise dans son rôle d'agent double, elle hésite un instant à donner une fausse combinaison au SD-6. Une fois déchiffré, le code la mène dans une petite église de Malaga. Elle triomphe d'Anna et repart avec le "soleil d'or", évoqué par Milo Rambaldi. Mais ses exploits sont loin d'éblouir son père. Toujours aussi froid, il décommande au dernier moment son invitation au restaurant...

Sydney échappe in extremis à l'équipe qui a implanté une bombe miniature dans le corps de Patel. L'ancien prix Nobel est censé exploser lors du sommet de l'Union mondiale du commerce auquel il participe. Sydney le retrouve et désamorce le détonateur avec l'aide de Dixon. A son retour, l'agent Vaughn lui remet un dossier confidentiel sur son père avant de discuter de sa prochaine mission. Le SD-6 projette de l'envoyer en Allemagne pour enlever un biochimiste, Schiller, prêt à livrer des informations sur un vaccin en échange de son installation aux Etats-Unis. La CIA veut empêcher Sloane de revendre la précieuse substance à des terroristes. Sydney doit donc repartir avec un faux scientifique, Kelvin, et laisser l'agence récupérer le vrai Schiller. Pour livrer ses connaissances, Kelvin utilise alors un programme informatique factice. Il pirate ainsi vers la CIA tous les fichiers du SD-6...

Sydney désamorce la bombe posée par Dixon dans l'usine qui produit le prototype du vaccin. Sa mission échoue cependant, tuant les agents infiltrés, car Dixon avait prévu un détonateur de secours pour déclencher l'explosion. Bouleversée, Sydney est prête à révéler son double jeu à son coéquipier mais Vaughn parvient à l'en dissuader. Grâce au dossier confidentiel concernant son père, Jack, elle retrouve la trace d'un agent du FBI, décédé, chargé de traquer les agents doubles de la CIA. Calder aurait tenté d'éliminer Jack lors de l'accident qui a tué la mère de la jeune femme. Sydney s'envole alors pour Londres avec Dixon et récupère un encodeur-décodeur aux mains d'un galeriste membre du FTL...

Coincée dans l'Institut de Mangalev, à Bucarest, Sydney trouve le corps de l'agent Fisher, du SD-6. Il a la gorge tranchée. Peu après cette macabre découverte, un individu la repère et la neutralise en lui injectant une forte dose de tranquillisant. Elle se réveille en fort mauvaise posture : des électrodes sur le corps, elle subit le feu roulant des questions du docteur Kreshnik. Ce dernier veut savoir si elle a des informations sur Martin Shepard et n'hésite pas à lui infliger des électrochocs. Sydney découvre au cours de cet interrogatoire que Martin est le tueur conditionné qui a assassiné Danny...

Sydney part à Oxford voler une montre ancienne liée à la mystérieuse histoire des Rambaldi. Elle s'aperçoit qu'un agent du SD-6 la suit dans tous ses déplacements. L'agent Sloane la rassure : il s'agit d'une procédure tout à fait normale. Jack lui confie au contraire que ce n'est pas dans les habitudes du SD-6 de mettre ainsi ses agents sous haute surveillance...

Après son combat contre Anna, Sydney parvient à sortir du tunnel souterrain et trouve Dixon sérieusement blessé. Elle appelle la CIA pour obtenir de l'aide. L'Agence envoie aussitôt un hélicoptère pour emmener Dixon à l'hôpital...

Après sa capture, Sydney se réveille dans une cellule délabrée. Elle est emmenée en salle de torture mais au dernier moment, l'interrogatoire est annulé. Russek, dans la ligne de mire du SD-6, est celui qui est torturé et finalement exécuté...

Alors que Jack pointe un revolver sur Sydney, sous les ordres d'Ireni Hassan, il réussit à lui envoyer un message en morse. Avec une coordination très précise, Jack et Sydney mettent les sbires d'Hassan hors d'état de nuire et capturent le trafiquant d'armes...

Des hommes armés prennent le commandement du SD-6. Cole McKenas est à leur tête, il prend sa revanche sur son ex-patron Sloane. Sydney et Jack s'allient pour sauver leurs collègues. De son côté, la CIA s'interroge sur les relations entre Vaughn et Sydney...

Cole, le mercenaire qui a pris en otage les membres du SD-6, recherche un flacon qui a un rapport avec Rambaldi. Il soumet Sloane à un interrogatoire musclé. Dixon parvient à envoyer discrètement un mail pour alerter la CIA. Vaughn, qui n'est plus l'agent traitant de Sydney, fait tout pour qu'une intervention soit déclenchée, mais ses supérieurs sont sceptiques. Pour en avoir le coeur net, il se rend seul au SD-6 et aperçoit une étrange camionnette garée au sous-sol...

Après l'assaut sur SD-6 par une organisation secrète, Sydney découvre que le clan rival FTL a été attaqué et son leader exécuté exactement à la même date. Sloane, lui explique que ce groupe mystérieux a contacté K-Directorate, leur proposant de partager l'information. L'objectif de SD-6 est de déterminer le moment et l'endroit du rendez-vous entre ce groupe mystérieux et K-Directorate...

Alors que les balles sifflent autour d'elle, Sydney réussit à se cacher dans l'immeuble le plus proche et échappe de justesse à ses poursuivants avec l'aide de Dixon. Elle retourne au SD-6 avec la vidéo de la rencontre entre le mystérieux Mr Sark et K-Directorate et en donne une copie à Vaugh...

Un espion du Département de Recherche Spéciale mène l'enquête sur les liens personnels de Sydney avec le réseau Rambaldi. Au même moment, au Brésil, Sydney, poursuivie par des hommes armés, tente de sauver sa peau. Elle arrive au sommet d'une falaise et saute, sauvée par son parachute...

Dissimulée sous sa perruque, Sydney se cache derrière les roues d'une grosse voiture américaine, tentant d'échapper à une escouade de policiers... Où va-t-elle ? D'où s'est elle échappée ? La cavale se termine sur un quai d'embarquement, n'ayant pas d'autre issue, elle appuie son pied sur l'accélérateur et plonge avec sa voiture dans l'eau...

Suite à son échappée sous-marine, Sydney s'est rendue au Mont Subasio en Italie, elle escalade les montagnes, prouvant de cette façon qu'elle n'est pas au coeur de la prophétie Rambaldi. Arrivée en haut, elle appelle la CIA via son téléphone-satellite...

En sécurité dans la maison de garde champêtre de la forêt d'Arkhangels, Sydney dort tout contre Noah. Cet instant de bonheur est interrompu quand les soldats de Khasinau prennent d'assaut la maison. Sydney et Noah parviennent à s'échapper par un passage secret...

Pour attraper Khasinau et se rapprocher ainsi de sa mère, Sydney épaulée par Vaughn, met en place une transaction secrète avec un représentant du réseau Rambaldi : Mr Sark. Mais le secret de Sydney risque d'être compromis par un agent SD-6, envoyé pour empêcher la négociation...

Dixon a compromis l'échange des diamants contre l'ampoule. Afin de répliquer, Vaughn lance une grenade dans la cour. Sydney tente de s'échapper et se blesse à l'épaule en se battant avec son coéquipier...

Will battu brutalement et évanoui, est traîné jusque dans une réserve sombre, où Mr Sark lui pose quelques questions à propos de «La circonférence», mais celui-ci reste sans réponse... Un horrible interrogateur de Taiwan «costume et lunettes» qui avait torturé Sydney quelques mois plus tôt pénètre dans la pièce équipé d'une panoplie d'armes effrayante. Sydney reçoit un appel de Sark pour organiser le transfert de son ami en échange de l'ampoule de solution et de la page Rambaldi qui avait été volée à Paris. L'échange doit avoir lieu à Taipei dans 24 heures...