À la suite d'étranges incidents dans le collège Kadic, Aelita est certaine que XANA est de retour et convainc les autres de rallumer le supercalculateur. Au départ, tout semble calme sur Lyoko, mais rapidement une tour est activée, permettant de créer dans le monde réel un spectre polymorphe qui va attaquer nos héros. XANA est donc bien de retour, et il a évolué. La menace n'en est que plus lourde. Nos héros décident de reprendre du service...

Jérémy et Aelita ont réussi à repérer le lieu où XANA a vraisemblablement été réactivé. Nos héros décident de s'y rendre à bord du Skid, le sous-marin numérique qui permet de voyager dans le réseau mondial, et que Jérémy a reprogrammé. Mais au moment du départ, Odd se retrouve enfermé dans un local du collège. De son côté, William cherche à réintégrer l'équipe des Lyoko-guerriers...

Un élève de classe de sixième poursuit les héros, provoquant chez eux d'étranges troubles dès qu'il les touche. Pas de doute : c'est un spectre. Les héros partent sur Lyoko pour désactiver la tour qui a permis au spectre d'apparaitre. Mais, sur Lyoko, Aelita est dévirtualisée avant d'avoir atteint la tour. Gros problème, car, en théorie, elle seule peut désactiver une tour. Jérémy repère bientôt une seconde tour activée cachée par la première.

Jérémy a programmé un nouveau véhicule, le Mégapod, un véhicule permettant de s'adapter aux mouvements de terrain du Cortex. Parallèlement, Laura, nouvelle camarade de classe des Lyoko-guerriers, cherche à en apprendre plus sur le groupe. Les Lyoko-guerriers retournent sur le Cortex pour aller chercher des informations dans le cœur et tester le nouveau véhicule. C'est Yumi qui conduit le véhicule mais celui-ci se retrouve bloqué au-dessus de la mer numérique. XANA attaque le véhicule et c'est Aelita, Odd et Ulrich qui doivent le défendre. Problème, le véhicule est bogué, résultat, Yumi reste coincée et risque de tomber dans la mer numérique.

Les héros sont toujours réticents envers William. De son côté, Ulrich montre des signes de jalousie en voyant que Yumi et William sont souvent ensemble. XANA attaque et envoie un clone à l'image de William pour récupérer les code-sources des Lyoko-guerriers. Il commence par s'attaquer à Yumi puis prend en chasse Ulrich qui veut faire diversion. C'est Odd qui désactive la tour. Mais XANA ne tarde pas à réattaquer à nouveau en piratant le réseau téléphonique. Le problème est qu'Ulrich est le seul pouvant encore se rendre sur Lyoko et désactiver la tour. Les autres refusent cependant de le laisser tenter la mission seul et demandent l'aide de William. En entendant cela, Ulrich se virtualise et part vers la tour tout seul voulant effectuer la mission sans son rival. William le rejoint et commence à le provoquer en lui empruntant son Overbike. Les deux tentent alors de rivaliser de performance en combattant les monstres plutôt que de travailler ensemble ce qui coûte presque une chute dans la Mer Numérique à Ulrich, qui sera sauvé par William. Une fois la tour désactivée, les Lyoko-guerriers, inquiets de la montée régulière en puissance de XANA acceptent de laisser William réintégrer l'équipe.

Aelita presse Jérémy de finir les modifications du véhicule qui lui permettra de retourner sur le Cortex. Elle doit en avoir le cœur net. Pourquoi y avait-il une image de son père dans ce Supercalculateur ? Malheureusement, plus ils approchent du Dôme, plus les soupçons assaillent Aelita qui se demande si son père est à l'origine de cette machine et qui a permis le retour de XANA. Elle devra chercher ailleurs la certitude que son père est innocent. Pendant ce temps, Yumi cherche à organiser une fête pour collecter des fonds pour le Japon, frappé par une tempête. Ce n'est pas facile quand on est seule, avec tous ses amis dans le Cortex, et XANA qui lance une attaque.

Un nouveau spectre est envoyé au lycée. Odd s'en retrouve victime et ne sait plus s'exprimer autrement qu'en baragouinant des propos incompréhensibles. Sur Lyoko, la tour est inaccessible car elle est protégée par un mur composé de nombreux Bloks.

Lyoko et le Cortex étant créé sur le même modèle, Jérémie tente de créer un virus afin de détruire le Cortex de l'intérieur. N'y arrivant pas, malgré l'aide d'Aelita, il fait appel à la nouvelle surdouée du collège, Laura, à qui ils font découvrir le supercalculateur. Laura parvient à créer un virus, mais en profite, à l'insu de Jérémie, pour pirater le programme de retour vers le passé qui n'a alors plus d'effet sur elle.

Jérémie à l'idée de créer des faux-codes afin d'en charger ses amis pour repousser les attaques de XANA contre eux. Ulrich se porte volontaire pour être le premier à tester ces faux-codes.

Ulrich veut rester au lycée en raison d'une compétition scolaire de karaté. Le reste du groupe lui reproche de faire passer ses activités personnelles avant leurs missions sur Lyoko. Sur le Cortex, les héros se préparent à affronter de nouveaux ennemis, les Ninjas, qui attaquent de façon bien plus imprévisible que les monstres habituels.

Aelita reçoit un message sur son ordinateur lui donnant rendez-vous dans un manoir. Sur place, elle y découvre sa mère, Anthéa. Mais Jérémy y devine un piège. Il demande à Laura de s'occuper de commander ses amis sur Lyoko pendant que lui essaye de sauver Aelita.

De nombreux bugs informatiques et électriques ont lieu au collège, provoquant notamment des erreurs d'attribution des notes de devoir aux élèves. Le père de Laura vient voir sa fille au collège pour comprendre l'origine de sa mauvaise note et la menace de l'envoyer dans un autre lycée meilleur pour elle. Pour ne pas partir, celle-ci lui montre l'Usine et le Supercalculateur.

Odd a gagné le gros lot à la loterie européenne. Après enquête, Jérémie découvre que XANA en a pris le contrôle et qu'il y a des millions de gagnants ce jour. Pendant qu'Odd, qui se pense nouvellement riche, est parti acheter des roses pour Sam, les autres partent sur Lyoko désactiver la tour. Revenus sur Terre, les héros découvrent que l'attaque n'était qu'une diversion et que XANA est en train de s'en prendre au Skidbladnir. Seul Odd est encore capable de se rendre sur Lyoko pour libérer le vaisseau du virus.

Nouvelle mission d'enquête sur le Cortex pour localiser le supercalculateur qui génère le territoire, où William, Yumi, Odd et Aelita affontent les Ninjas. Pendant ce temps, Ulrich reste au lycée car il s'est brouillé avec Yumi à cause d'un texte où elle le décrit. Au retour du groupe sur Lyoko, ils découvrent qu'un Ninja les a suivis sur Lyoko.

À la suite d'une nouvelle attaque d'un spectre de XANA, Odd se retrouve vide de codes et ne peut donc plus désactiver les tours de Lyoko. Vexé de ne plus pouvoir servir à l'équipe, il met en place un « bunker » dans le collège où y enfermer ses amis encore porteurs de codes afin de les protéger des spectres lors des attaques de XANA. Mais son idée est un échec.

XANA lance d'étranges attaques sans cohérence. Après analyse du superscann, Jérémy découvre que les tours de Lyoko s'activent et se désactivent rapidement sans savoir expliquer pourquoi. Le groupe décide d'explorer le Cortex pour comprendre la raison des bugs de XANA. De son côté, Laura a entendu parler de Franz Hopper et décide d'enquêter dessus. Elle est découverte par Aelita qui part l'espionner. Dans le noyau du Cortex, le groupe découvre de très nombreux monstres de XANA en train d'affronter des Ninjas tout aussi nombreux. Une fois le Noyau vidé de ces occupants, Jérémy envoie un message pour donner rendez-vous à Tyron, un ancien collaborateur de Franz Hopper. Le rendez-vous a lieu le lendemain sur le Cortex : Tyron ne connait pas XANA.

Un recruteur d'une grande agence de recherche en informatique quantique vient au lycée rencontrer quelques élèves, dont Jérémy et Laura. Mais il se révèle rapidement être un agent de Tyron. Si Jérémy parvient à tromper les questionnaires de l'agent, Laura n'y parvient pas et révèle le supercalculateur de l'Usine à l'agent.

Aelita fait d'étranges rêves sur sa mère, Anthéa. Cela la rend obsédée d'en finir avec XANA. Jérémy et Laura ont justement achevé la création du virus qui doit détruire le Cortex. Ulrich s'étant fait une entorse à la cheville et Odd devant faire des heures de colle, seuls Wiliam, Yumi et Aelita peuvent se rendre sur le Cortex. Seule Aelita atteint finalement le Noyau du territoire. Alors qu'elle s'apprête à lancer le virus, les écrans de l'interface du Cortex s'activent et montrent une vidéo, qui semble en direct, du laboratoire de Tyron. Ce dernier apparait alors, accompagné d'une femme : Anthéa. Le groupe décide, à la place d'Aelita, d'interrompre la mission : ayant la preuve qu'Anthéa est vivante, détruire le Cortex reviendrait à perdre tout contact possible avec elle.

Pour empêcher XANA de récupérer sa puissance, Jérémie a l'idée de capturer un spectre et de récupérer ses codes de programmation. Mais le spectre détruit les scans durant l'opération et des particules se dévirtualisent sur Lyoko. Quiconque touchant ce spectre tombe alors dans un coma et Ulrich, Yumi et Odd se retrouvent coincés sur Lyoko...

Jérémie a trouvé un moyen de pirater le système vidéo du labo de Tyron. Aelita s'en réjouit: elle va pouvoir entrer en contact avec sa mère. Alors que les Lyoko-Guerriers le testent au Cortex, ils se font repérer par Tyron. Les Ninjas de ce dernier les dévirtualisent en un instant, sauf Aelita, qui décide de rester. Aelita est formelle : elle doit rester sur le Cortex pour attendre un quelconque signe de sa mère...

Une nouvelle attaque pose problème aux Lyoko-Guerriers : XANA envoie un spectre polymorphe sur Terre à leur image et crée également des doubles d'eux-mêmes sur Lyoko. La paranoïa s'installe chez les Lyoko-Guerriers...

Laura a décidé de se révolter contre les Lyoko-guerriers et décide, malgré les interdictions de Jérémy, de lancer le virus qui permettra de tuer XANA mais qui coupera également tout lien en Aelita et sa mère. Elle parvient à rallier William à sa cause. Cependant, une fois sur le Cortex, l'impensable se produit : William se fait xanatifier !

C'est l'anniversaire d'Aelita. Alors que ses amis lui préparent une surprise, Jérémie tombe dans un piège de XANA : ce dernier parvient à détruire le Skid et buguer l'Holomap. S'en voulant pour son erreur, Jérémie laisse tomber ses amis...

Lors d'une attaque sur le Cortex, Odd, Ulrich et Aelita se retrouvent bloqués dans une sphère qui s'avère être une boucle temporelle les ramenant indéfiniment au cours de gym de Jim qu'ils ont vécu le matin même.

Yumi et Aelita décident de retourner sur le Cortex pour contacter la mère de cette dernière. Mauvaise nouvelle : XANA attaque en envoyant un spectre sur Terre et Odd et Ulrich en font les frais ! Les choses se compliquent quand Yumi est dévirtualisée : Aelita est la seule à pouvoir désactiver la tour...

XANA a atteint les 95 % de sa puissance : pour Jérémie, il est temps de détruire le Cortex. Cependant, les 5 héros ne tiennent pas face à la puissance de XANA ! Autre surprise, Tyron a retrouvé la trace des Lyoko-guerriers...