タイムズ・スクエアで、過去の記憶を喪失した謎の美女ジェーン・ドウ（身元不明の女性）が、全裸で発見される。彼女の体はさまざまなタトゥーで埋め尽くされており、背中に自分の名前があったことから、FBI捜査官カート・ウェラーは陰謀に巻き込まれていく。カートはチームとともに、紆余曲折する秘密と暴露の迷路を縫ってイチかバチかの悪の世界へ足を踏み入れる。

ジェーンの不可解なタトゥーを解読すると、米国空軍でパイロットを務めるアーサー・ギブソン少佐の名前が浮上する。過去につらい出来事を経験した彼は、破滅的な計画を企んでいた。ジェーンは、自分の身元を明らかにしようと手がかりを探し続けるが、断片的に思い出される不穏な記憶に悩まされ、自分の過去について疑問を抱く。一方カートは、自分がジェーンの正体を知っているかもしれないと思う。

ジェーンの体に、米国海軍特殊部隊ネイビーシールズのタトゥーがあり、彼女の過去を知る犯罪者がいるかもしれない。悪名高き強盗集団がほぼ完璧な宝石強盗を行うが、現場で捕まった一人の男にもジェーンと同じタトゥーが入っていた。男はジェーンの知り合いなのか？一方、ジェーンが初めて思いだした記憶に登場した男が彼女を訪ねる。謎めいた、いかついその男は彼女に意図の不明な警告をする。カートとメイフェアは、チーム内でのジェーンの役割について悩む。

パターソンとパズル王である彼女の恋人デヴィッドがタトゥーの謎を解読し、チームは米国疾病対策予防センター(CDC)へ向かうことになる。チームはジェーンの体に隠されていたメッセージをそこで発見し、世界中に大惨事を引き起こすような陰謀が明らかになる。一方ジェーンとカートの仲はしだいに深まっていく。

単純な人質事件に見えたものが深い国際問題につながっていることが判明し、CIAとFBIは凶悪な経歴を持つ犯罪者を先に捕まえようとして競り合う。一方トム・カーターは、ジェーンの信頼性について懸念を示したことで、メイフェアと衝突する。また、リードはチームへの忠誠心を試される。ジェーンは、自分が何者なのかということにしっかり向き合おうとしてカートの家族に会うが、滅入ってしまう。

ある暗殺事件を捜査していくうちに、チームは危険なアプリへとたどり着く。それは、犯罪者が政府関係車両を追跡することができるという、恐ろしいアプリだった。チームは、そのアプリをネット上から削除するために、アプリの開発者と協力しなければならない。それは意外な人物だった。一方、ザパタは倫理的な問題でもがき苦しみ、ジェーンとカートは2人の関係を仕事上のものだけに留めようとしていた。

ジェーンの体に刻まれたタトゥーの一つによって、チームは僻地へ向かうが、彼らは単独で危険な犯罪者と対面することになる。そこでは、ジェーンとカートのギクシャクした関係が試され、メイフェアの秘密が暴露されるという脅威が迫る。一方パターソンは、タトゥーの謎を解明するために規則を破ってしまう。

警察官が殺害される事件が発生する。パターソンがジェーンの不穏なタトゥーを解き明かしたところ、それは、まるで警察官の殺害を予告するかのようなタトゥーだった。これ以上警察官が襲撃されることを防ぐために、チームは恐ろしい手がかりを追求する。一方メイフェアは、過去の秘密をカートに打ち明け、真の意味で2人の関係が試されることになる。

ジェーンとカートは、国際的な暗殺者カップルに成り切っておとり捜査を行い、非常に危険な情報が、知られてはならない人物の手元に渡るのを阻止しようとする。密接した状況下で任務を遂行する2人は、今まで以上に接近していく。一方デヴィッドは、パターソンを取り戻すためにある行動に出る。カーターは凶悪な人物への対処について、メイフェアと衝突する。

今まで潜伏していたスパイ組織が活動を開始する。チームは彼らを捕えるために追跡し、おびただしい数の暗殺事件を阻止しようと奔走する。スリル満載のミッドシーズン・フィナーレ。

ジェーンは、自分の体に刻まれたタトゥーについて度肝を抜かれるような真実を次々に知り、動揺してしまう。また彼女は、オスカーを信用するかどうかについて思案していた。そんな中、ジェーンのタトゥーの一つに導かれてチームは黒海へ行くが、そこで彼らは衝撃的な発見をする。

イラク戦争に参戦した退役軍人が、軍基地で銃撃事件を起こしたことから、チームは卑劣な計画を暴くことになる。一方ジェーンとカートは、ある目的に向かう科学者を阻止しようと奔走する。ジェーンは、自分自身について、謎めいた軍人としての過去を思い出し、オスカーとの新たな関係についても思いを巡らしていた。

FBIニューヨーク支局に内通者がいるとのタレコミを受け、チームは、フィッシャー査察官の厳しい監視のもとで、そのスパイを追跡しなければならない。チームのメンバーそれぞれに、心の奥底にしまっておきたいような秘密が暴露される恐れがあり、全員が内通者の容疑をかけられていた。だが中には―特にジェーンは―人よりもっと多くの隠しごとがあった。

匿名の情報提供者からタレコミがあり、チームは緊急を要する死刑囚の事件を調査することになるが、ザパタはそのためにおとり捜査を行うことにする。“モグラ狩り”の最中に捕まりそうになったジェーンは、FBIのもとを去ることを考え始める。

ある画廊から、ジェーンの体に刻まれたタトゥーの一つが描かれていた絵画が盗まれる。チームは強盗の真の狙いがジェーンだということを突き止めるが、ジェーンはチームを守るために、姿をくらますのだった。

装甲車両が強奪される。チームは、盗まれた積荷が化学兵器だということを突き止め、危険なテロリスト攻撃が起きるのを阻止しようと、奔走する。一方ジェーンは、カートについての混乱するような記憶に向き合うが、同時にオスカーとの仲もさらに深まっていく。パターソンは、過去の人物から、ある電話を受ける。

パターソンはニューヨーク・タイムズ紙に掲載されているクロスワードの中に、隠されたメッセージを発見する。そしてタトゥーの謎を解き明かそうと手がかりを順に追っていくが、危険へと巻き込まれていく。一方オスカーはついにジェーンの正体を本人に打ち明け、カートはテイラー・ショウを誘拐した犯人について、父親に意見を聞くことにする。

ジェーンとカートは、危険な国際手配犯を捕まえるために、以前追跡していた人物リッチ・ドットコムと協力することを余儀なくされる。彼は、その国際手配犯と接触することができる唯一の人物だからだ。一方ジェーンは、オスカーからある任務が命じられているが、決断を下さないでいる。それは道徳的に問題があり、カートを傷つけかねない任務だった。

ジェーンのタトゥーについて、チームが捜査を行っている間に、ある学校で銃撃事件が起きる。チームのメンバーは、それぞれ襲撃した犯人を捕まえようとする。一方メイフェアは、過去に経験した出来事のことで思い悩んでいた。

ジェーンのタトゥーと関係がある謎の少女が、ボーデンの保護下に入る。ボーデンはFBIチームにも彼女にまつわる事件について話すが、少女とテロ組織のつながりが明らかになり、全員が危険にさらされてしまう。一方ジェーンは、葛藤を抱えたまま再びカートとの仲を深めていく。そしてボーデンとパターソンの間には友情が芽生える。

犯罪ハッカーたちがFBIの建物に侵入し、建物が閉鎖される。そのためチームは、米国連邦捜査局戦略的情報作戦センター内に閉じ込められてしまう。メイフェア、ザパタ、リード、サラ・ウェラーは狭苦しい空間の中から脱出しようと奮闘するが、そこで各々の抱えている葛藤に向き合うことになる。

ジェーンのタトゥーとそっくりのタトゥーが刻まれた赤ちゃんが発見される。チームはその子の身元を明らかにして、他の何十人もの幼児を救うために奔走する。一方、ジェーンはオスカーの秘密の任務が引き起こした結果に憤慨し、本人と対峙する。

カートは、ある人物から胸が張り裂けるような主張を聞き、困惑しながらも真実を追い求める。一方ジェーンは、オスカーの件で元容疑者に助けを求める。残りのチームメンバーは友人を助けようと奮闘する。