Citando el manual de PHP:
Cita: El soporte de las sesiones le permite registrar un número arbitrario de variables que se conservarán en las siguientes peticiones. Cuando un visitante acceda a su web, PHP comprobará automáticamente (si session.auto_start está puesto a 1) o cuando usted lo especifique (de forma explícita mendiante session_start() o implícita a través de session_register()) si se le ha enviado un "session id" específico con su petición, en cuyo caso se recrean las variables que se habían guardado anteriormente.
Todas las variables registradas son almacenadas tras finalizar la petición. Las variables que están indefinidas se marcan como no definidas. En los subsiguientes accesos, no estarán definidas por el módulo de sesiones a menos que el usuario las defina más tarde.
Esto quiere decir que la primera peticion donde aparece un session_start() sirve para definir y almacenar tus varibles de sesion, para su posterior recuperacion en la siguiente llamada a tu script y esto es por que el protocolo de HTTP no es asincrono.