La sixième saison suit deux frises chronologiques, à la suite de l'explosion de la bombe dans l'épisode final de la saison précédente. Dans le présent, sur l'île, les survivants font face à la mort de Jacob dont le meurtre a été orchestré par Locke, qui n'est autre que le « monstre de fumée » ou L'homme en noir qui peut prendre l'apparence des morts pour mieux berner les vivants. Widmore débarque sur l'île, ramenant avec lui Desmond qui va être le sujet d'une expérience électromagnétique intense qui changera sa perception de la vie. Dans une autre chronologie, le vol Oceanic 815 atterrit bien à Los Angeles, où chacun regagne son quotidien sans connaissance des évènements vécus sur l'île. Toutefois, la vie des personnages est différente : John Locke ne s'est jamais brouillé avec son père, Sawyer est policier, Hurley est un patron d'entreprise chanceux, Benjamin Linus est un professeur de lycée. Ils vont tous être amenés à découvrir l'impensable vérité de cette « réalité alternative ».

Sawyer et les autres se déplacent aléatoirement dans le temps sur l'île, rencontrant différents personnages à différentes périodes, jusqu'à ce qu'ils échouent finalement en 1977, au sein du Projet Dharma. Dans le futur, Locke meurt après avoir tenté de ramener les « Six du vol Oceanic » sur l'île. Jack, Kate, Hurley, Sayid et Sun embarquent finalement à bord du vol Ajira 316 faisant route vers Guam. Locke, transporté dans un cercueil, ressuscite une fois l'appareil crashé sur l'île. Il prend le commandement du groupe de Richard et manipule Ben pour que ce dernier assassine Jacob. Jack, Kate, Hurley et Sayid sont transportés 30 ans plus tôt au sein du Projet Dharma, où, avec l'aide du groupe de Sawyer, ils vont tenter de faire exploser une bombe dans la poche électromagnétique du futur bunker pour reprendre le cours de leur ancienne vie.

La saison se concentre sur l'arrivée de personnes provenant du cargo Kahana, venu jusqu'à l'île dans le but apparent de secourir les rescapés. Toutefois, il semblerait que cette équipe de sauvetage cache de lourds secrets et mente au sujet de leurs motivations, auxquelles Ben, le leader machiavélique des « Autres », ne semble pas étranger. Jack tente par tous les moyens de mener un groupe pour quitter l'île. Beaucoup vont y laisser la vie pour que les « Six du vol Oceanic » (Oceanic 6) puisse regagner le continent. Ben tourne la roue qui va conduire l'île à disparaître dans le temps.

La majeure partie de l'intrigue met l'accent sur le conflit croissant entre les survivants et les « Autres », ainsi que sur le thème de l'affrontement entre science et foi, symbolisé par l'antagonisme grandissant de Jack Shephard et John Locke. Alors que certains mystères sont résolus, de nouvelles questions sont soulevées. De nouveaux personnages sont introduits, y compris les survivants de la queue de l'avion et d'autres habitants de l'île. Des informations sur le caractère mythologique de l'île et sur le passé des survivants sont divulguées. La trappe est explorée et l'existence du Projet Dharma et de son bienfaiteur, la Fondation Hanso, est révélée. Alors que la vérité sur les mystérieux « Autres » commence à être dévoilée, un des rescapés de l'accident trahit les autres naufragés et la cause de l'accident du vol Oceanic 815 est découverte.

La majeure partie de l'intrigue met l'accent sur le conflit croissant entre les survivants et les « Autres », ainsi que sur le thème de l'affrontement entre science et foi, symbolisé par l'antagonisme grandissant de Jack Shephard et John Locke. Alors que certains mystères sont résolus, de nouvelles questions sont soulevées. De nouveaux personnages sont introduits, y compris les survivants de la queue de l'avion et d'autres habitants de l'île. Des informations sur le caractère mythologique de l'île et sur le passé des survivants sont divulguées. La trappe est explorée et l'existence du Projet Dharma et de son bienfaiteur, la Fondation Hanso, est révélée. Alors que la vérité sur les mystérieux « Autres » commence à être dévoilée, un des rescapés de l'accident trahit les autres naufragés et la cause de l'accident du vol Oceanic 815 est découverte.

Après le crash de leur avion sur une île perdue, les survivants doivent apprendre à cohabiter et survivre dans cet environnement hostile. Bien vite, ils se rendent compte qu'une menace semble planer sur l'île...