Sydney Bristow n'est pas une étudiante comme les autres…elle est un agent d'une branche secrète de la C.I.A., le SD-6, qui l'a recrutée l'année de son entrée à l'université. Sydney a appris les arts martiaux, les langues étrangères et les techniques les plus pointues afin de devenir une espionne. Tout bascule lorsqu'elle révèle la vérité à son petit ami, qui vient de la demander en mariage. En brisant la règle du silence, elle le condamne à mort et met sa propre vie en jeu.

Jack Bristow le père de Sydney, lui apprend qu'il fait également partie du SD-6 et que cette branche secrète pour laquelle elle travaille n'est en rien une division de la C.I.A., mais une branche de l'alliance : des malfrats aux intentions malhonnêtes. Sydney réalise alors qu'elle travaille pour l'ennemi qu'elle pensait combattre.

Ne pouvant plus faire confiance à personne et désirant se venger, elle se tourne vers la vraie C.I.A. et propose ses services comme agent double. Placée sous l'autorité de l'agent Michael Vaughn, elle devra poursuivre ses missions pour le SD-6 tout en rendant des comptes à la C.I.A. C'est alors qu'elle découvre que son père est lui aussi un agent double... Commence alors une série de missions dans différents pays... Survient alors de mystérieux artefacts d'un inventeur nommé Rambaldi…auxquels vient se greffer une prophétie apocalyptique!