L’azione si svolge sempre a Los Angeles nel settembre od ottobre 2003 (secondo la trama sono trascorsi circa 18 mesi dall’epoca dei fatti della prima stagione), a partire dalle 08:00 del mattino, ma la prima scena è nel sotterraneo di un imprecisato edificio in Corea del Sud
(dove in quel momento è mezzanotte), in cui un personaggio – presumibilmente un terrorista catturato dai servizi segreti americani o sud-coreani – sta rivelando sotto tortura ad alcuni agenti americani che una bomba nucleare potrebbe esplodere quel giorno stesso nella metropoli californiana. La notizia viene subito riferita alla Casa Bianca, in cui risiede David Palmer che, nel novembre precedente, è stato eletto presidente degli Stati Uniti. Questi, avvertito della minaccia nucleare mentre si trova in vacanza in Oregon insieme al figlio, decide che l’uomo che può fare al caso suo è proprio l’ex agente del CTU Jack Bauer, a cui Palmer ordina di tornare in servizio. Bauer sta affrontando un periodo difficile: allo sbando e non ancora ripresosi dalla tragica morte della moglie Teri, ha lasciato il CTU ed è in rapporti tesi anche con la figlia Kim, che a sua volta non ha ancora superato la morte della madre. Kim si mantiene lavorando come baby-sitter per i Matheson, facoltosa famiglia che abita sulle colline di Los Angeles. Jack Bauer coglie l’occasione offertagli da Palmer come un’opportunità per riannodare i fili della sua vita, e accetta di tornare in forza al CTU.
Parallela all’indagine di Bauer c’è la vicenda delle sorelle Kate e Marie Warner, figlie di un uomo d’affari (collaboratore della CIA), Bob Warner. In quello stesso giorno Marie Warner, la più giovane delle due sorelle, sposerà il giovane medio-orientale Reiza Naiyeer, che lavora nella ditta di import-export del futuro suocero: la scena mostra i preparativi della cerimonia nel giardino nella casa di famiglia. Kate, da sempre presasi cura di sua sorella, ha il sospetto che Reiza conduca attività illegali negli Stati Uniti.
Bauer trova una traccia: coinvolto nella macchinazione riguardante l’ordigno nucleare è una vecchia conoscenza, Joe Wald, delinquente comune. Per guadagnarsene la fiducia Bauer uccide un altro malvivente, noto nemico di Wald, e gli porta la sua testa mozzata in segno di amicizia. Wald ingaggia così Bauer nel piano e, mentre gliene spiega a grosse linee la trama, gli dice anche che dovranno commettere un attentato dinamitardo al CTU, allo scopo di crear danni all’anti-terrorismo e di rallentarne l’attività di indagine per quel giorno. In qualche maniera Bauer riesce ad avvertire il CTU anche se troppo tardi: nell’esplosione alcuni agenti moriranno, ma l’avviso di Bauer ne salverà molti altri, compreso il vicecapo Tony Almeida e la nuova agente Michelle Dessler (tra i due nascerà poi un qualcosa di più di un semplice rapporto professionale). Anche con funzionalità ridotte, il CTU è comunque in grado di operare.
A questo punto, Jack decide di metter sotto torchio Wald e di estorcergli quante più informazioni possibile. Sorprendentemente, scopre che l’attentato è stato ordinato da Nina Myers, nel frattempo rinchiusa in un carcere di massima sicurezza. Le indagini che seguono mostrano un collegamento tra il gruppo che sta preparando l’attacco nucleare e la famiglia Warner, ma ancora non è chiaro il legame. Si scopre in seguito che dalla ditta di Warner sono partiti soldi e materiali verso un terrorista medio-orientale, Syed Ali. Si scoprirà in seguito che a far arrivare i soldi ad Ali è in realtà Marie Warner, divenuta una fanatica terrorista islamica dopo un soggiorno a Londra. Questa non esiterà a uccidere anche il suo fidanzato prima di fuggire.
Intanto il presidente Palmer inizia a sospettare del capo della NSA e lo fa torturare da un agente della CIA, per avere informazioni riguardo la bomba. Viene così a sapere che l’NSA era a conoscenza della presenza della bomba atomica sul suolo americano e che era entrata proprio grazie alla collaborazione dell’agenzia per la sicurezza nazionale. Palmer viene inoltre a sapere che la sua ex moglie Sherry (nel frattempo rientrata nello staff del presidente, grazie ad alcuni aiuti preziosi dati a David per quanto riguardava la bomba) è collegata a tutto questo. Palmer la allontana dall’edificio.
Nel frattempo, Nina Myers viene liberata su richiesta di Bauer, anche se il presidente, al fine di averne la collaborazione, è costretto a concederle l’immunità preventiva per l’uccisione dello stesso Bauer. Comunque il CTU intercetta la bomba, già innescata. Maria viene arrestata. Nina non riesce a uccidere Bauer e viene portata via. L’agente Mason, colpito da radiazioni letali, si offre di pilotare l’aereo in una zona deserta e di sacrificarsi. La bomba esplode molto lontano da Los Angeles e il disastro è evitato.
Si scopre che in realtà la bomba non sarebbe dovuta esplodere, ma era solo un pretesto per indurre il presidente Palmer a muover guerra contro tre nazioni imprecisate del Medio Oriente: una registrazione telefonica, che poi si rivelerà falsa, in quanto creata ad hoc da un hacker, sembra provare che l’attentato sia stato organizzato da tali Paesi. Se Palmer non avesse mosso guerra contro i 3 paesi mediorientali, sarebbe stato destituito per incapacità a guidare la nazione in base al 25° emendamento della Costituzione, e si sarebbe fatto si che il suo vice, meno prudente, fosse indotto a dichiarare guerra ai tre Paesi, cosa che avrebbe portato il vero regista dell’operazione, l’affarista Peter Kingley, a gonfiare i suoi utili per via delle partecipazioni nell’industria estrattiva nel mar Baltico. Palmer viene destituito dal consiglio di gabinetto ed il suo vice prende il suo posto. I bombardieri continuano a volare verso i paesi reputati colpevoli dell’esplosione della bomba. Allo scadere del tempo Bauer, assieme a Sherry Palmer, riuscirà a provare che la traccia audio è un falso, Kingley viene ucciso e Palmer rientrerà nel pieno delle sue funzioni presidenziali e licenzierà il suo consigliere, non vi sarà nessuna aggressione americana. Una delle scene finali ha come protagonisti un tale Max, che sappiamo essere complice di Kingley ed un altro personaggio. Max dice che nonostante sia fallito il piano della bomba, non tutto è finito e fa una telefonata ad un misterioso personaggio al quale dice “Procedi.”
Alla fine un colpo di scena: mentre il presidente Palmer stringe varie mani durante un comizio, la killer di professione conosciuta come Mandy attenta alla sua vita con un’arma biologica che gli lascia profonde bruciature sulla mano. Su un Palmer a terra si chiude la seconda stagione.
