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Die dritte Staffel stellt das Bat-Team 2.0 vor: Luke geht erstmals im Batwing-Anzug ins Feld, kämpft aber noch mit einer fehleranfälligen Rüstung und den Nachwirkungen seiner Schussverletzung. Am Ende der Vorstaffel waren die Schurken-Trophäen aus der Bat-Höhle gestohlen und im Fluss verloren gegangen; das Team birgt Poison Ivys Ranke, doch jemand anderes findet den Hut des Mad Hatter und verkauft ihn im Netz.
Käufer ist Liam, ein besessener Alice-Verehrer, der eine Ein-Mann-Kampagne für ihre Freilassung aus Arkham führt. Als er merkt, dass er mit dem Hut jeden Willen brechen kann, beginnt er klein und zwingt einen Mann, dessen Freund zu töten. Sein nächstes Ziel ist Marys Examensfeier, auf der sie als Jahrgangsbeste ihr Medizinstudium abschließt.
Unter Liams Kontrolle soll Mary dem Universitäts-Vorsitzenden Dr. Hall vor aller Augen Organ um Organ entnehmen. Luke blockiert das Signal des Hutes, doch Liam hebt die Sperre wieder auf. Sophie rät Mary, Dr. Halls Herz per Defibrillator anzuhalten – damit ist Liams Befehl formal erfüllt und die Kontrolle gebrochen, und Mary kann ihn anschließend wiederbeleben.
Alice sitzt derweil in Arkham und wähnt sich in Briefkontakt mit ihrem Vater Jacob – tatsächlich sind die Postkarten nur eine Einbildung. Ryan befreit Alice, um Liam aufzuhalten; von seinem Idol bewundert, lässt sich Liam umarmen und wird von der mit Signal-Blockern ausgestatteten Alice in den Rücken gestochen. Ryan bricht anschließend ihr Versprechen, Alice laufen zu lassen, und schickt sie zurück nach Arkham.
Ein Nebenstrang dreht sich um Ryans leibliche Mutter, die laut Alice noch lebt: Sophie recherchiert und findet den Namen – Jada Jet –, doch Ryan entscheidet sich gegen ihre Herkunft und für ihre neue Familie. Zum Abschluss taucht die frühere GCPD-Polizistin Renee Montoya auf. Sie weiß dank Alice, dass Ryan Batwoman ist, und zwingt sie zur Zusammenarbeit mit Alice, um die gestohlenen Trophäen aufzuspüren – andernfalls legt sie das gesamte Team lahm.
Alice wird unter strengen Auflagen aus Arkham entlassen: Sie trägt eine Fußfessel und steht unter Aufsicht von Ryan; jeder Verstoß bedeutet Einzelhaft in Arkham. Renee Montoya macht die Bedingungen unmissverständlich klar.
Der erste gemeinsame Einsatz von Batwoman und Alice dreht sich um einen neuen Killer Croc: Vom früheren Croc blieb nur ein einzelner Zahn, dessen Infektion einen neuen Croc erschuf. Dieser heißt Steven und macht mit seinem lähmenden Speichel Jagd auf ein Mädchen namens Whitney. Batwoman und Alice spüren sein Revier auf und treffen in der Kanalisation auf Stevens Vater Mason.
Um seinen Sohn zu schützen, überwältigt Mason Batwoman mit einem Viehtreiber und legt dabei auch Alices Fußfessel lahm, bevor Steven ihn fortschleift. Batwoman findet Mason tot, rettet Whitney und überwältigt Steven. Alice nutzt die zerstörte Fessel zur Flucht, doch Batwing stellt sie und injiziert ihr Tracking-Nanobots, sodass sie zurück in Gewahrsam gebracht wird.
Bei Wayne Enterprises beklagt sich Jada Jet bei Ryan, der amtierenden CEO, über Industriespionage; Sophie eröffnet Ryan, dass Jada ihre leibliche Mutter ist. Luke gibt sich offiziell den Namen Batwing; mithilfe von Mary und der Lucius-Fox-K.I. erkennt er, dass der Fehler seines Anzugs von dessen Gesundheits-Notfallschaltung ausgelöst wird. Zum Schluss öffnet Montoya die vermeintliche Probe von Poison Ivys Ranke – und stellt fest, dass sie gefälscht ist; die echte Ranke ist weiter in Umlauf.
Ein Kanister mit flüssigem Stickstoff, der auf den längst verstorbenen Victor Fries – Mr. Freeze – zurückgeht, gerät in die Hände von Schulkindern und lässt einen Stadtbus vereisen. Der Vorfall macht Schlagzeilen und führt dem Bat-Team vor Augen, dass eine weitere Trophäe aus dem Arsenal der Gotham-Schurken im Umlauf ist. Alice, der das Team Tracking-Nanobots injiziert hat, hilft widerwillig dabei, die Freeze-Kanister aufzuspüren.
Fries' Witwe Nora hat das Auftauen überlebt, ist seither jedoch stark gealtert und gebrechlich – wenn auch von ihrer ursprünglichen Krankheit geheilt. Gemeinsam mit ihrer Schwester Dee wird sie von einer Verbrecherbande überfallen und nach Ace Chemicals verschleppt, wo sie die Geheimnisse der Kryotechnik preisgeben soll. Batwoman durchsucht die Asservatenkammer des GCPD nach Fries' Maschine und befreit Nora, wird von den Kriminellen jedoch überwältigt und in Ace' instabile Kältekammer gestoßen.
Während Batwoman einzufrieren droht, redet Sophie ihr durch die Unterkühlung, und Ryan überzeugt Luke, trotz seiner Traumafolgen wieder den Batwing-Anzug anzulegen. Batwing rettet sie; in der anschließenden Verfolgungsjagd im Batmobil sprengen die Entführer, die Dee verschleppt haben, einen Teil der Gotham-Brücke. Batwing vereist die Lücke, sodass das Batmobil passieren kann. Batwoman stellt die Maschine sicher und rettet Nora und Dee, doch der Anführer der Söldner entkommt.
Parallel stellt Ryan ihre leibliche Mutter Jada Jet zur Rede, die eine Beziehung erneut ablehnt. Deren charmanter Sohn Marquis durchschaut, dass Ryan seine Halbschwester ist – das Kind einer Affäre, die Jada einst vertuschte – und schlägt vor, hinter Jadas Rücken zusammenzuarbeiten. Ryan lehnt ab, um Jadas Einfluss vom Bat-Team fernzuhalten.
Alice nähert sich unterdessen Mary an, redet ihr ihre Bedeutungslosigkeit im Team ein und droht schließlich, Nora zu töten, falls Mary ihr die Nanobots nicht entfernt – doch Nora ist ihr eigenes Schicksal gleichgültig. Zurück in Arkham beginnt Alice zu halluzinieren, die Nanobots würden sich unter ihrer Haut bewegen. Auch Lukes Trauma nach dem Schuss belastet die Steuerung seines Anzugs; als Mary sich Ryan anvertraut, reagiert Luke verärgert. Zum Abschluss besucht Mary Nora und Dee im Park und wird von einer Ranke Poison Ivys gepackt und fortgeschleift.
Dank Marquis landet Ryan Wilder auf Gothams „30 unter 30“-Liste und wird zu einer Gala geladen, wo ihr Charlie, der PR-Chef von Wayne Enterprises, zur Seite steht. Sophie erscheint mit ihrer ebenfalls geehrten Schwester Jordan. Ein Unbekannter experimentiert derweil mit Mr. Freezes Toxin, um eingefrorene Leichen wiederzubeleben.
Jordan, die die geheime Black-Glove-Society bei der Gala enttarnen wollte, wird entführt und kryogen eingefroren. Sophie und Ryan finden sie erstarrt vor. Die Society, eine reiche Gruppe auf der Suche nach Unsterblichkeit, nutzt Jordan und ihre Freunde als Versuchsobjekte.
Mary erwacht von Poison-Ivy-Ranken umgeben im Gotham Park, doch Ryan und Luke schenken ihr kaum Beachtung. Alice, deren Halluzinationen in Arkham immer stärker werden, hilft Mary schließlich herauszufinden, dass Jordan wegen ihrer Ermittlungen gegen die Black Glove eingefroren wurde.
Während Sophie und Alice nach Jordans Beweisen suchen, überwältigt die Black-Glove-Society die beiden beinahe tödlich, bis Ryan sie rettet. Mary gelingt es, Jordan mithilfe von Pflanzen aufzutauen. Alice offenbart dem Team ihren sich verschlechternden Zustand, woraufhin sie unter Sophies Aufsicht aus Arkham geholt werden soll.
Jada steckt der Presse zu, dass Ryan Wayne-Gelder illegal umleitet – Mittel, die in Wirklichkeit in Batwomans Kampf fließen. Luke deckt die Gelder als ARGUS-Vertrag, doch eine feindliche Übernahme droht. Ryan schlägt Marquis vor, gemeinsam gegen Jada vorzugehen. Zum Schluss übergibt der Black-Glove-Mann Jada das neue Freeze-Toxin: Sie will es an Marquis einsetzen.
Ryan bittet Sophie, sie zu einem Abendessen bei ihrer entfremdeten Mutter Jada Jet zu begleiten, um herauszufinden, was diese über Wayne Enterprises und die Black-Glove-Gesellschaft weiß. Die beiden geben sich als Paar aus. Jada wiederum will Ryan vor der Zusammenarbeit mit deren Bruder Marquis warnen, der mitsamt seiner Begleitung Zoey unangemeldet auftaucht.
Der Küchenchef Lazlo Valentin – Professor Pyg – wurde einst von Jada gefeuert und sinnt auf Rache: Er versetzt sämtliche Getränke mit einem lähmenden Gift. Zoey wird auf der Toilette bewegungsunfähig und ermordet. Als die Wirkung bei den Übrigen einsetzt, sticht Ryan Pyg ins Bein und verschafft der Gruppe genug Zeit, sich in Jadas Panikraum zu flüchten; Telefonsignale sind blockiert.
Marquis erleidet Krampfanfälle und braucht Adrenalin, das nur über die Küche zu erreichen ist – wo Pyg gerade eine Bombe baut. Ryan wagt sich vor, doch das Adrenalin steht in einem hohen Regal, das auf sie stürzt. Pyg fasst sie und nutzt sie als Druckmittel, um Jada aus dem Panikraum zu locken. Ryan kann sich schließlich das Adrenalin spritzen, Sophie versorgt sich und Marquis, und gemeinsam stellen sie Pyg – getötet wird er am Ende von Marquis, der dabei erschreckend weit geht.
Danach enthüllt Jada Marquis' Geheimnis: Als Kind wurde er vom Joker mit dessen Elektro-Scherzbuzzer traktiert und zeigt seither psychopathische Züge – er tötete sogar seinen Vater über dessen Erdnussallergie. Jada will Marquis in Kryostase versetzen, um Zeit für eine Heilung zu gewinnen, und braucht dafür Ryans Hilfe. Marquis schmiert sich derweil Blut wie ein breites Lächeln übers Gesicht.
In einem zweiten Strang untersuchen Batwoman und Alice eine Leiche in einer Autowerkstatt und finden eine Peitsche, die Renee für Catwomans hielt – doch sie gehört einer anderen Schurkin. Beim Durchsehen von Renees Akten stößt Alice auf die dicke Poison-Ivy-Akte. Renee gesteht, dass sie und Pamela Isley einst ein Paar waren, ehe Experimente Isley in Poison Ivy verwandelten, und dass sie Batman bat, Ivy lebendig zu begraben.
Als Alice bei Mary in der Klinik eine Ranke entdeckt und sie Renee zeigt, erkennt diese: Eine tote Ranke bedeutet einen neuen Wirt. Mary, die den Vorfall im Park noch nicht deuten kann, wird zur neuen Poison Ivy.
Ein Jugendlicher entdeckt in einem Gartenschuppen einen Mann, der in Ranken gefangen und von Bienen bedeckt ist. Renee Montoya sichert das Handy des Opfers und wendet sich an Ryan und Alice – ihre beunruhigende Theorie: Eine Bat-Trophäe hat einen neuen Wirt gefunden, dessen dornige Rache sich durch Gotham zieht. Alice deutet gegenüber Mary an, dass sie selbst dieser Wirt sein könnte.
Als das Opfer erwacht und Mary beschuldigt, gesteht diese, womöglich eine Mörderin zu sein, und kettet sich aus Angst vor sich selbst an eine Maschine. Über Marys Handy rekonstruieren Ryan und Alice ihren Morgen: Sie hatte den Mann über eine Dating-App kontaktiert; er nannte sie „süß“ und wies sie ab, woraufhin sie sich rächte. Am selben Ort finden sie einen weiteren Mann bis zum Hals im Boden vergraben – jenen Täter, der zuvor Menschen tödlich einfror.
Unterdessen sucht Sophie bei Renee Hilfe, um sich für einen Vorfall zu rächen, in den ihre Schwester verwickelt war. Ryan hält Sophie davon ab, den gefährlichen Virgil zu bedrohen – doch als sie zurückkehren, ist Virgil tot.
Als Alice Luke und Mary einredet, Ryan schütze in Wahrheit ihre Mutter Jada, verfällt Mary in eine Trance: Sonnenlicht ist ihr Auslöser. Sie schlägt Luke nieder, lockt die Polizei mit einem falschen Hinweis in den Botanischen Garten und stellt sich dort Renee entgegen. Ryan und Luke – als Batwing – folgen ihr; Mary greift Luke mit Ranken an und flieht, als die Polizei eintrifft, während Renee die beiden befreit.
Zerknirscht, Marys Infektion und wachsende Wut nicht bemerkt zu haben, ruft Ryan schließlich Jada um Hilfe. Sophie und Renee wiederum verbringen nach einem Drink die Nacht miteinander.
Um Mary zu heilen, bevor sie endgültig zu Poison Ivy wird – tagsüber übernimmt die Pflanzenkraft die Kontrolle, nachts ist Mary sie selbst –, macht Ryan einen Deal mit Jada Jet: Deren Wissenschaftler sollen aus einer Blutprobe ein Gegenmittel entwickeln. Der Preis ist der Verrat an Ryans Bruder Marquis, den Jadas Leute betäuben und in ein Labor bringen, um ihn in Kälteschlaf zu versetzen.
Unterdessen ist Alice mit der geflohenen Mary in einem Wohnmobil unterwegs. Sie bietet Mary Schutz vor Arkham an – im Gegenzug soll Mary ihr per vollständiger Bluttransfusion die Nanobots aus dem Blut spülen, wofür 0-negatives Spenderblut nötig ist. Mary entdeckt, dass sie ihre Pheromon-Gedankenkontrolle auch nachts einsetzen kann, und lässt sich Schritt für Schritt auf Alice’ Seite ziehen.
Im Labor erwacht Marquis während des Einfrierens, würgt seine Mutter Jada mit einem Infusionsschlauch und entkommt. Auf der Suche nach Ryan tötet er den Wachmann in Lukes Büro, schlägt Luke bewusstlos und ersticht später die Wissenschaftlerin Dr. Tuva, die das Gegenmittel hergestellt hat.
Als Marquis das Fläschchen mit dem Gegenmittel in die Hand bekommt, erpresst er Ryan damit: Sie soll als CEO von Wayne Enterprises zurücktreten und all ihre Anteile abgeben – eine feindliche Übernahme, die er offen zugibt. Ryan unterschreibt widerwillig die vorbereitete Rücktrittserklärung, woraufhin Marquis ihr das Fläschchen zuwirft.
Batwoman spürt Mary schließlich über deren Kaffee-Bonuspunkte auf und will ihr das Heilmittel verabreichen, doch Mary lehnt ab. Sie lässt Ranken aus der Straße wachsen, die Batwoman umschlingen und dabei das Fläschchen zerdrücken; Alice fährt mit Mary davon. Am nächsten Morgen übernimmt Poison Ivy Mary vollständig, während Marquis die Kontrolle über Wayne Enterprises ergreift und sich als neuer Herrscher über Gothams Wirtschaft inszeniert.
Die ursprüngliche Poison Ivy ist zurück: Geschwächt vom Austrocknungs-Serum steigt Pamela Isley aus einem Gewässer im Gotham National Park und tötet zwei Angler, die sich nicht an die Catch-and-Release-Regel halten. Renee Montoya, die sich für Pamelas Austrocknung verantwortlich fühlt, hat Team Batwoman verraten, um ihre einstige Geliebte zurückzugewinnen. Zugleich taucht John Diggle in Gotham auf, der Jada Jet aus früheren Zeiten kennt, und Ryan geht Sophie wegen deren Affäre mit Renee aus dem Weg.
Auf Renees Hinweis meditiert Pamela und ruft Mary, deren pflanzenartige Biologie der ihren gleicht. Während Alice und Mary einen gemeinsamen Urlaub planen, spürt Mary den Ruf und kann sich nur noch in Pamelas Richtung bewegen. Alice warnt vor der ursprünglichen Poison Ivy – eine Welt mit zwei Gleichen gehe nie gut aus –, begleitet Mary aber dennoch.
Ryan, Sophie und Luke verfolgen Ivy in den Nationalpark, wo sie sofort von Rankenmonstern angegriffen werden; auf ihrem Heimterrain hört Ivy jeden Streit der drei und dirigiert die Pflanzen gegen sie. Luke rettet Sophie mit einem Gas-Stoß. Mary versetzt Alice im Auto in Schlaf, um allein weiterzugehen, wird aber von Renee aufgehalten, die sich über Jahre eine Immunität gegen Ivys Pheromone antrainiert hat.
Jäger finden die betäubte Mary und ziehen ihr den Pfeil aus dem Hals. In Panik schleudert Mary den Vater mit einer Ranke fort und tötet ihn. Batwoman besorgt Salz und Essig gegen die Ranken, doch als der Sohn des Jägers um Hilfe schreit, zieht sie sich in einen Truck zurück und lässt Sophie das Fahrzeug mit ihr darin sprengen; der Anzug schützt Ryan, während Luke das Kind rettet und sich so als Held beweist.
Zum Abschluss besucht Luke das Grab seines Vaters und erklärt sich bereit, als Batwing den Anzug zu tragen. John Diggle bittet darum, einen Trans-Materie-Würfel mit einem grün leuchtenden Objekt zu öffnen. Sophie und Ryan küssen sich und öffnen damit die Tür zu einer Romanze. Alice erwacht und erkennt, dass Mary den Jäger getötet hat. Renee und Pamela finden schließlich zueinander; als Mary eintrifft, tritt Renee beiseite, und Pamela küsst Mary auf die Stirn.
Pamela „Pam“ Isley und die frisch verwandelte Poison Mary haben den Chef von Gotham United Healthcare in ihre Gewalt gebracht. Weil Pams Kräfte schwinden, zapft sie immer wieder Marys Energie an. Am Gotham-Staudamm offenbart Pam ihren Plan, die Stadt zu fluten – ein Vorhaben, bei dem Mary nicht mitziehen will.
Alice warnt Ryan und Luke vor dem Ivy-Duo, und um mehr über Pam zu erfahren, holen sie Renée Montoya ins Hold Up. Parallel lockt das Batsignal Batwoman zu Jada Jet, die den Joy Buzzer zur Wiederbelebung ihres Sohnes Marquis besitzt. Jada rückt ihn nur heraus, wenn sie Marquis zurückbekommt, und setzt Batwoman eine Frist bis Mitternacht.
Als Pam Mary bewusstlos zurücklässt und Dammarbeiter den Notruf absetzen, entscheidet sich Batwoman gegen Jadas Ultimatum und für Marys Rettung. Gemeinsam mit Alice verfolgt sie den Krankenwagen, springt auf dessen Dach und bringt Mary in Sicherheit. Renée verrät, dass Pam dahintersteckt, und Ryan konfrontiert Mary damit, dass sie in der Vorwoche einen Mann getötet hat.
Der Plan gegen Pam: Renées Pheromon-Blocker soll Poison Ivy schwächen, sobald sie erneut Marys Energie anzapft – auf die Gefahr hin, auch Mary zu schwächen. Am Damm überlastet Pam die Turbinen, um den Einsturz auszulösen. Mary bietet ihre Energie an, zieht sich rechtzeitig zurück, und während Batwoman Pam niederringt, findet Batwing die Turbinen, befreit sich aus umschlingenden Ranken und verhindert den Einsturz.
Renée bringt die gefesselte Pam an Bord eines Frachtflugzeugs und offenbart, dass sie mit Sophie einen Deal für Pams Freiheit ausgehandelt hat; ihr Ziel ist die Insel Coryana. Mary ist wieder sie selbst. Doch Jada startet eine Medienkampagne gegen Batwoman und macht sie für das Chaos verantwortlich. In Marys überfluteter Klinik fällt schließlich ein Wassertropfen auf Marquis – und erweckt ihn wieder zum Leben.
Alices geistige Verfassung verschlechtert sich zusehends: Sie beginnt, ihre toten Weggefährten Mouse und Ocean zu halluzinieren. Mary fühlt sich von Alice verraten, weil diese ihre Verwandlung in „Poison Mary“ nicht aufgehalten hat. Auf der Suche nach einem neuen „Joy Buzzer“ stellt Alice die Erfinderin Kiki – doch Marquis erschießt diese.
Marquis entführt Jada sowie weitere bekannte Mitglieder der Black Glove Society, darunter Barbara Kean, Burton Crowne, Mario Falcone und Jeremiah Arkham. Drei von ihnen tötet er, ehe er Alice eröffnet, dass der Tag, an dem der Joker seinen Schulbus kaperte, derselbe war, an dem der Wagen ihrer Mutter von der Brücke gedrängt wurde. Verzweifelt lässt Alice sich auf einen Handel mit Marquis ein, um an den Joy Buzzer zu gelangen.
Bevor Marquis Jada töten kann, greift Batwoman ein, überwältigt ihn und befreit Jada und Barbara. Alice wird von Sophie außer Gefecht gesetzt, während Batwing sich den Joy Buzzer sichert. Zurück im Arkham Asylum trifft Alice schließlich auf Mary, die nun ganz in ihrer neuen, gefährlichen Rolle aufgeht.
Das Staffelfinale der dritten Staffel führt den Machtkampf zwischen Ryan Wilder und ihrem Bruder Marquis zum Höhepunkt. Marquis bricht in ein altes Versteck des Jokers in einem verlassenen Vergnügungspark ein und kapert anschließend über die Batcave-Technik sämtliche Bildschirme Gothams: Er fordert die Bevölkerung auf, in fünf Stunden auf die Straße zu gehen, wenn er Batwomans geheime Identität enthüllen will.
Ryan sucht Alice in Arkham auf, die weiterhin auf den „Joy Buzzer“ hofft, um sich von ihrem Wahn heilen zu lassen. Alice verrät, dass es Marquis nie um die Identität ging – er will den letzten Plan des Jokers vollenden. Mit Jadas Technik-Team spürt Luke Marquis auf: Er hat den Bat-Blimp gestohlen und will von dort Säurebomben über dem in den Straßen versammelten Gotham abwerfen, um Millionen Menschen zu töten.
Während Mary und Sophie über den Trophäenraum an den Hypnose-Schirm des Pinguins gelangen, um die Menge unbemerkt in Sicherheit zu bringen, übernimmt Luke die Kontrolle über den Blimp – bis Marquis den Piloten und die Steuerung erschießt. Batwoman dringt auf das Luftschiff vor; im Kampf zwingt sie Marquis zu Boden und prügelt auf ihn ein, während sie ihren Bruder zurückfordert, doch er stößt sie durch ein Fenster.
Mit dem Enterhaken reißt Batwoman Marquis mit sich und öffnet einen Fallschirm; beide landen auf einem Dach. Im erneuten Kampf stürzen sie über die Kante, Batwoman hält Marquis fest. Alice erscheint, zieht beide in Sicherheit und ermöglicht Batwoman, Marquis mit dem Joy Buzzer zu betäuben. Batwing dockt die KI seines Anzugs an, lenkt den Blimp in ein unbewohntes Gebiet und entkommt, kurz bevor das Luftschiff explodiert.
Am Ende ist Marquis geheilt und weniger mörderisch; Ryan und Jada bringen ihn in die Klinik und hoffen auf eine gemeinsame Zukunft. Alice hinterlässt Mary eine Nachricht, dass sie in ein Schweizer Sanatorium geht, um Hilfe zu suchen, während Ryan und Sophie sich näherkommen. Doch im Wrack des Blimps entdeckt eine Reporterin eine monströse Gestalt, die sie und den Kameramann angreift – ein Cliffhanger für das, was in Gotham noch lauert.