Sydney est complètement amnésique concernant ces deux ans passés. Les choses ont changé. Dixon est maintenant à la tête du groupe d'opération de la CIA, Marshall et Carrie vont avoir un bébé, et Vaughn a quitté la CIA et est maintenant marié. Donc le premier jour de reprise du travail par sydney est un peu étrange. Les autres nouvelles sont que Sloane s'est rangé, il est conseiller pour la C.I.A et aussi à la tête d'Omnifam, une organisation mondiale de la santé. Syd est sceptique en apprenant la nouvelle, tout comme Jack.

Jack a été enfermé en prison pendant un an pour avoir travaillé avec Irina, pour élucider le meurtre de Sydney. Mais cette dernière demande au responsable de la NSC, M. Lindsey que son père soit libéré en échange d'une puce qu'elle a récupérée. Jack donne le premier indice à Sydney concernant sa disparition : Sur une vidéo nous la voyons en train d'assassiner un Russe nommé Lazarey. Un nouveau mauvais groupe fait son apparition et s'appelle "le covenant" ("l'engagement"), dont les motivations sont alors inconnues. La NSC assigne une nouvelle liaison pour aider la CIA afin de lutter contre le "covenant" : c'est l'épouse de Vaughn, une certaine Lauren Reed.

Vaughn décide de revenir à la CIA, et se retrouve avec sa femme et Sdyney. Les relations sont plutôt tendues et Vaughn a du mal à faire comprendre à Sydney les motivations de son mariage. La NSC assigne Lauren à retrouver le tueur de Lazarey. Il s'avère que Lazarey est le père de Sark qui est prisonnier de la CIA.

Sydney trouve une nouvelle piste : son nom d'alias était "Julia Thorne" lorsqu'elle était en contact avec un agent du Covenant durant ces deux années disparues. Dixon ordonne Vaughn de ne rien révéler à Lauren concernant Sydney et Lazarey, car la NSC l'enfermerait pour lui faire subir des tests médicaux très dangereux. Sark qui a été libéré de la CIA par le covenant participe à la sortie de prison du responsable de ce groupe un dénommé Bomani. Comme Sloane a fourni des informations à la CIA concernant Bonami, il est maintenant en danger.

Sloane évite le démembrement par Bomani en lui promettant de l'aide. Il se rend ensuite à la CIA et indique qu'il sera agent double ! Sydney sera son contact privilégié à la CIA ce qui ne la réjouit pas. Autre surprise, Allison (la fausse Francie) est vivante, sauvée par le covenant et un médicament de Rambaldi. Allison donne un autre indice: Le covenant a besoin de Sydney vivante parce qu'ils veulent quelque chose qui se trouve dans sa mémoire.

Sloane donne à Sydney une lettre qu'elle aurait écrite elle même et qu'elle lui aurait envoyé juste avant de réapparaitre à Hong-Kong. Sur cette lettre se trouve un code et une clé qui mèneront Sydney jusqu'à une adresse à Rome qui a été un appartement de Julia Thorne. Les relations avec Dixon et Lindsey s'enveniment jusqu'au moment où ce dernier prend la direction du centre des opérations. Lauren obtient l'information par Sark que Sydney est la tueuse de Lazarey et en informe Lindsey rendant Vaughn complètement consterné.

La NSC arrête Sydney à Rome, et la menace de pratiquer une chirurgie invasive du cerveau à moins qu'elle ne déchiffre un autre code qui a été trouvé dans l'appartement à Rome. Vaughn, Jack et Sloane aident Sydney à s'échapper d'une prison de la NSC. Lauren aide aussi Sydney à s'échapper d'une torture ignoble qu'allait lui faire subir Lindsey désireux d'obtenir le déchiffrage des codes..

Une fois libre, Sydney et Jack se rendent aux coordonnées correspondant aux codes trouvés dans l'appartement de Rome. Ils trouvent alors une boite enterrée dans le désert contenant une main coupée portant le symbole de Rambaldi. Sydney décide d'aller voir un médecin recommandé par Sloane afin de retrouver sa mémoire. En combinant des drogues, ce docteur permet à Sydney de commencer à retrouver des parties de sa mémoire tout en étant dans un état de rêve planant.

Dans son rêve, Sydney se voit en train de couper un gateau sur lequel est marqué "St. Aidan". Mais le gateau se trouve en fait être la main de Lazarey. En essayant de pénétrer dans une salle dont la porte a le numéro 47 elle est stoppée par elle-même. Elle apprends alors que c'est le Covenant qui l'a kidnappé il y a deux ans mais que c'est elle même qui a supprimé sa mémoire. En ouvrant la porte 47 elle tombe dans son rêve sur Will Tippin.

De retour dans le monde réel, Sydney part à la recherche de Will qui a maintenant une nouvelle vie et fait partie du programme de protection des témoins. Will est choqué de voir Sydney vivante. Il lui apprend que St. Aidan était le nom d'un de ses contacts lorsqu'il travaillait pour la CIA. Il arrive à obtenir une entrevue avec lui durant laquelle Sydney se rend compte que St. Aidan n'est autre que Lazarey vivant mais avec une main en moins! Lors de l'entretien avec Will, Lazarey lui demande s'ils "l'ont trouvé" à Graz, juste avant d'être kidnappé par Sark. Sydney et Will se rendent à un hôtel à Graz où ils se retrouvent confrontés à Allison et Sark. Will poignarde Allison et avec Sydney ils récupèrent un cube appartenant à Rambaldi. Marshall détermine que ce cube contient un tissu vivant appartenant à Rambaldi lui-même.

A la CIA, Jack et Vaughn essayent de faire croire que Sydney a été sortie de prison par le Covenant et qu'ils veulent l'échanger contre la machine de Rambaldi Il dire (the telling) que possède la CIA. Lindsey a du mal à les croire et après une dispute les fait arrêter ainsi que Dixon. Lindsey fait chanter Sloane en prétendant qu'il connait ses motivations. Il demande ainsi à Sloane d'embaucher un assassin qui tuera Sydney au moment de l'échange entre le covenant et la CIA. Au moment de l'échange, c'est finalement Lindsey qui est tué. Jack, Vaughn et Dixon sont alors de retour au centre des opérations. Des hommes de la NSC s'emparent du cube de Rambaldi et Sydney est kidnappée chez elle. Elle se réveille dans un avion où elle retrouve Kendall qui lui raconte toute l'histoire concernant ces deux années manquantes.

Kendall est en fait au courant de toute l'histoire qu'il a appris par Sydney elle-même. Elle a été kidnappée par le Covenant la nuit de son affrontement avec Allison (fin de saison2). Le covenant a fait croire à la mort de Sydney en implantant son ADN dans la dent d'un faux corps. Pendant six mois Sydney a subi un lavage de cerveau afin de lui faire avaler qu'elle était une tueuse nommée Julia Thorne. Mais Sydney ayant subi le projet Christmas par son père a été entraînée pour qu'un lavage de cerveau ne marche pas sur elle. Une fois lachée par le Covenant, persuadée qu'elle est maintenant un de leur agent, Sydney / Julia a tout de suite contacté Kendall (soit neuf mois après sa prétendue mort). Kendall a proposé à Sydney d'être double agent entre Kendall et le Covenant, mais Sydney a voullu tout de suite rentrer chez elle. Kendall a essayé de l'en empécher car elle allait mettre la vie de ses amis en danger. Mais en voulant revoir Vaughn elle s'est aperçu qu'il était avec une nouvelle femme et elle a alors accepté de suivre les conseils de Kendall.

En travaillant pour le Covenant, Sydney a eu l'occasion de rencontrer Lazarey qu'elle devait tuer. Elle s'est associée avec lui et pendant plusieurs mois ils ont recherché le cube de Rambaldi. Ils l'ont trouvé dans une grotte en Namibie où Lazarey a perdu sa main que Sydney a du couper pour le sauver d'un piège. C'est alors que Sydney se rend compte que le Covenant lui a pris ces ovules (d'où la cicatrice sur son ventre) et veulent les fertiliser avec l'ADN de Rambaldi contenu dans le cube afin de faire naitre "une seconde venue" de Rambaldi. C'est donc pour cela qu'elle a décidé de cacher le cube afin qu'il ne tombe pas entre de mauvaises mains et d'effacer sa mémoire.

Mais Kendall (qui est en fait un agent de la NSC introduit au centre des opérations s'occupant du projet Black Hole centre d'étude sur Rambaldi) a décidé de révéler toute l'histoire à Sydney car le cube a été récemment volé par le Covenant. Dixon était aussi dans la confidence avec Kendall et savait qu'elle était vivante, il s'excusera d'ailleurs de n'avoir rien dit à Sydney comme elle l'avait fait avec lui à l'époque du SD-6. La CIA découvre finalement où se trouve le cube, et en allant dans un laboratoire du Covenant, Sydney détruit toute les fioles contenant l'ADN de Rambaldi et les essais de fertilisation. Le groupe du centre des opérations sauve Lazarey qui était retenu au laboratoire. Sur la route du retour dans une ambulance, Lazarey demande à Sydney quelque chose à propos du "passager". Mais il n'aura pas le temps d'en dire plus car il sera tué à son arrivée à l'hôpital. L'assasin se révèle être Lauren Reed qui fait donc partie du Covenant! Peu de temps après elle se retrouvera avec Sark en charge de la cellule nord Américaine du Covenant.

Alors qu'Irina est toujours manquante, Jack lui envoi une demande pour l'aider à secourir Sydney. Une des deux soeurs d'Irina, Katya Derevko arrive sur le devant de la scène et accepte d'aider Jack et se servira de lui pour effrayer Sloane à qui elle semble en vouloir. Sloane commence à avoir une relation avec le docteur Barnett et lui révèle un très grand secret : il est sorti avec Irina lorsqu'elle était avec Jack et Sydney pourrait être sa fille.

Le Covenant kidnappe les enfants de Dixon afin de forcer ce dernier à voler une boite de Rambaldi cachée au projet Black hole. Sydney récupérera cette boite sur laquelle est incrit le nom de sa mère Irina. Lauren se débrouillera pour faire inculper Sloane qui sera arrêté et devra subir la peine de mort. Sloane essayera de se défendre en disant à Jack que ces actions étaient légales, car il éxécutait les ordres d'un groupe d'opérations secret du gouvernement appelé "the trust" (la vérité).

Le Covenant arrive à récupérer toutes les clés ouvrant la boite de Rambaldi qu'ils ont volé. Sark et Bomani trouvent dedans le coeur mécanique (saison2). En plaçant le coeur dans la machine Il dire (the telling), le covenant découvre le même message qu'avait eu Sloane: le mot "paix" (qui en grec veut dire Irina) ainsi qu'une séquence d'ADN qui est celle du "passager". Sark éliminera Boamni. Conrad, le moine de l'ordre des protecteurs de Rambaldi (saison2) apprend à Sydney que le "passager" est sa demi-soeur. Celle-ci est donc l'enfant de Sloane et Irina. Le père de Vaughn qui serait un membre des protecteurs de Rambaldi aurait sauvé cet enfant du KGB au péril de sa vie.

Vaughn découvre que sa femme est un double agent du Covenant. Jack découvre qu'Irina a eu une liason avec Sloane, mais il décide de l'aider à échapper à la peine de mort. Sloane et Sydney font alors équipe pour retrouver le passager. Gràce à un encéphalogramme ils la retrouveront dans une prison en tchétchénie. Le nom de la demi-soeur de Sydney est Nadia et elle est une espionne de l'intelligence d'Argentine. Sloane révèle son ambition finale qui est de retrouver la "sphère de vie" une sorte de vaisseau de Rambaldi regroupant sa conscience et son essence. Pour cela Sloane arrive à capturer Nadia afin de tester sur elle un élixir. Sous l'effet de cette potion, Nadia est capable d'écrire des équations permettant localiser à l'endroit où se trouve la " sphère de vie ".

Afin d'empêcher Sloane d'obtenir l'équation complète, Sydney et Vaughn se rendent à Novgorod21, une ancienne cellule Russe de recherche sur Rambaldi pour y dérober les stocks d'elixir. Ils seront devancés par Lauren et Sark mais Katya Derevko les aidera à s'échapper après qu'ils aient découvert des vidéos de Nadia petite qui déjà avait délivré (sous l'effet de l'élixir) une partie de l'équation aux Russes. En fait Irina a donné naissance à Nadia en prison à son retour en Russie après avoir trahit Jack.

Jack, Katya, Sydney et Vaughn arrivent à retrouver la localisation de Sloane. Ils sauvent Nadia des mains de Sloane, Sark et Lauren avant qu'elle n'ait pu délivrer l'équation complète. Sark est fait prisonnier de la CIA. Vaughn prépare sa vangence contre sa femme au risque de compromettre son idyle avec Sydney et devient extrêment violent.

Lauren tente le tout pour le tout et arrive à récupérer à la CIA l'équation de Rambaldi (Marshall a extrapolé les données pour terminer la formule) et à faire exploser la cellule où travaille Vaughn et Sydney. Lauren est ensuite faite prisonnière par Vaughn après qu'elle ait déchiffré les coordonnées à partir de l'équation. Mais Vaughn est poignardé par Katya Derevko permettant à Lauren de s'échapper. Sydney obtient des informations sur la localisation de la "sphère de vie" de Rambaldi qui est à Palerme. Elle découvre que Katya n'était pas de leur côté et lui tire dessus. Nadia s'échappe de la CIA et rejoint Sloane. Elle le rassure en lui disant qu'elle n'a pas délivré la bonne équation au covenant qui est en train de chercher au mauvais endroit. Sydney est confrotée à Lauren qui lui dit qu'elle ne sait toujours pas la vérité sur sa propre vie. Vaughn arrive juste à temps et sauve Sydney en tuant Lauren de plusieures balles. Avant de mourrir Lauren délivre un code d'un coffre situé à Wittenberg.

Plus tard, à Wittenberg, Sydney pénètre dans la banque et force le coffre...elle decouvre des documents top secret de la CIA...sur un projet S.A.B 47 la concernant et commencant le jour de sa naissance...les papiers sont signés par Jack. Sydney est en larmes... Jack entre alors et dit qu'elle n'était pas supposée trouver ces documents...