3x01 Post mortem / The Two
Après son combat contre le double de Francie, Sydney se réveille mystérieusement à Honk Kong. Elle apprend que deux années se sont écoulées et que tous ont présumés qu'elle était morte. Elle n'a aucun souvenir de ces deux années. Le retour dans le monde qu'elle avait connu auparavant s'avère douloureux et difficile de même que la recherche  des souvenirs des deux années manquantes. Elle apprendra bientôt que sa mémoire contient des informations qui intéressent les membres de différentes agences de renseignements et que certains sont prêts à tout pour les obtenir même à tuer. Dans ce premier épisode, Sydney lutte pour avoir une prise sur la réalité qui lui semble aussi étrangère qu'effrayante. Elle confronte Michael au sujet de son mariage et apprend le destin choquant de Sloane et de Jack.

3x02 Monnaie d'échange / Sucession
Sydney qui recherche la vérité sur les deux années qui se sont écoulées, confronte Sark qui est dans l'une des prisons de la CIA. Mais lorsqu'une nouvelle organisation secrète, le Covenant, demande Sark en échange de deux scientifiques qu'ils ont enlevés, Sydney doit contre sa volonté procéder à un échange de prisonnier. Pendant ce temps, Vaughn envisage de retourner travailler à la CIA même si cela signifie qu'il travaillera avec Sydney, Jack confronte Sloane à propos du rôle qu'il pourrait avoir jouer dans la disparition de sa fille et découvre lors de cette rencontre un secret surprenant et Sydney rencontre la femme de Vaughn.

3x03 Arme secrète / Reunion
Pour la première fois en deux ans, Sydney et Vaughn font équipe afin d'empêcher Sark de détruire un système de communication par satellite national. De son côté, Jack doit tout mettre en oeuvre afin que Marshall ne découvre pas l'identité d'un meurtrier, et Sydney soupçonneuse accompagne Vaughn et Lauren alors qu'ils rencontrent Sloane pour lui demander un service.

3x04 Chaînon manquant / A Missing Link
Tandis que Sydney tente d'infiltrer un groupe afin de récupérer des armes biologiques mortelles, elle découvre un lien entre les deux années de sa disparition et Simon, le chef dangereux et sexy de cette équipe. Parallèlement, Vaughn lutte contre son sentiment de jalousie, conscient des pressions que son travail exerce sur son mariage avec Lauren tandis que Sydney est en mission et Jack afin d'assurer la protection de Sydney et de préserver la position de sa fille au sein de la CIA, révèle son terrible secret à  Dixon.

3x05 Black Jack / Repercussions
Alors que Vaughn est entre la vie est la mort, Lauren se dispute avec Sydney après avoir appris le rôle qu'elle a joué dans l'attaque contre son mari. Par la suite, Sydney se questionne sur les véritables allégeances de Sloane lorsque ce dernier est enlevé par Kazari Bomani, un membre important du Convenant. En se qui concerne Jack, sa couverture est compromise quand il rencontre Simon afin d'obtenir de l'information sur les deux années dont sa fille n'a aucun souvenir et Marshall quant à lui est envoyé pour la deuxième fois en mission avec Sydney.

3x06 Noir et blanc / The Nemesis
Les émotions de Sydney sont mises à rude lorsqu'elle se retrouve en face d'Allison, le double de Francie qui a été présumé morte, mais qui est maintenant une figure clé du Convenant. Au même moment, Lauren est à la recherche du meurtrier de Lazarey et elle est tout près de découvrir un lien avec Sydney et Sydney est assignée pour être le contact de Sloane à la CIA.

3x07 Sans issue / Prelude
Jack prend des mesures draconiennes pour s'assurer que le NSC ne découvre jamais la vérité au sujet de l'implication de Sydney dans le meurtre d'un diplomate russe. Mais ses actions placent une contrainte lourde sur le mariage de Vaughn, car Lauren est tout près de découvrir la vérité. Pendant ce temps, Sydney accepte d'aller en mission avec Sloane pour contrecarrer des plans visant à obtenir le logiciel d'exploitation d'une arme mortelle et elle découvre un allié peu probable lorsqu'elle cherche la vérité sur ces deux années manquantes.

3x08 Volte face / Breaking Point
Quand Sydney est arrêtée par le NSC, Jack et Vaughn n'ont d'autre choix que de s'allier avec Sloane pour la sauver. Mais il ne reste que quelques heures avant qu'elle ne soit forcée de subir une chirurgie radicale afin qu'elle retrouve la mémoire , ils doivent mettre au point une équipe d'extraction, diriger par Brill un agent indépendant. De son côté, Lauren fait face à un choix difficile le NSC, qui elle veut croire fait la bonne chose, ou son mari.

3x09 Salle 47 / Conscious
Après avoir fait une découverte choquante dans le désert, Sydney accepte de se soumettre à un procédé expérimental conduit par un docteur excentrique visant à retrouver sa mémoire perdue. Mais tandis que Jack et Vaughn observent le processus, l'esprit de Sydney s'avère étonnamment résistant à se rappeler les souvenirs manquant ce qui pourrait la tuer. Pendant ce temps, Lauren fait un grand sacrifice afin de rendre son alibi crédible à Lindsey après que Sydney ait échappé à la surveillance du NSC, et Sloane se trouve pris au piège par un ennemi improbable qui veut voir Sydney Bristow éliminée de façon définitive.