Na estreia da quarta temporada, Chuck e Morgan embarcam em uma missão em busca de trapaceiros ao redor do mundo para encontrar a mãe de Chuck, Mary Bartowski (LINDA HAMILTON). OLIVIA MUNN também estrela como convidada.

A mais recente missão de Chuck fornece uma conexão com o passado de Casey... e, possivelmente, com a mãe de Chuck. Morgan ganha coragem para revelar um grande segredo para Casey. ERIC ROBERTS estrela como convidado.

O sonho de Chuck de encontrar sua mãe (LINDA HAMILTON) pode ser o seu pior pesadelo. Além disso, é Dia das Bruxas na Compre Mais. MORGAN FAIRCHILD e ROBERT ENGLUND estrelam como convidados.

Depois da primeira briga de verdade deles, Chuck evita Sarah, indo em uma missão que o levará ao encarregado de sua mãe no serviço secreto inglês, MI6 (TIMOTHY DALTON). ANA GASTEYER também estrela como convidada.

A vida de espião de Chuck cruza-se com a sua vida em casa quando convidados inesperados chegam para um jantar de "sobras" da Ação de Graças. LINDA HAMILTON, MONET MAZUR e TIMOTHY DALTON estrelam como convidados.

Sarah embarca em uma missão que poderia ser sua última. Enquanto isso, Ellie e Incrível estão em desacordo sobre o nome do bebê. LINDA HAMILTON, TIMOTHY DALTON e MEKENNA MELVIN aparecem.

A missão para derrubar Volkoff (Timothy Dalton) atinge um novo nível perigoso. E grandes mudanças se aproximam em casa. Estrelas convidadas recorrentes Linda Hamilton e Mekenna Melvin também aparecem.

A equipe voa para o Marrocos para resgatar Roan Montgomery (JOHN LARROQUETTE). Morgan se prepara para conhecer a mãe de Alex (MEKENNA MELVIN). Enquanto isso, Mary (LINDA HAMILTON) se aproxima da família.

Para salvar a vida de uma ex-aliada, Chuck deve unir forças com seu maior inimigo: Alexei Volkoff (TIMOTHY DALTON). LAUREN COHAN, LINDA HAMILTON e MEKENNA MELVIN também estrelam como convidados.

Chuck e Sarah correm para salvar a mãe de Chuck (LINDA HAMILTON) a tempo para o dia do casamento. LAUREN COHAN, MEKENNA MELVIN e RAY WISE também estrelam como convidados.

No episódio final da quarta temporada, a Operação Bartowski corre para derrubar Vivian Volkoff (LAUREN COHAN) enquanto ela ameaça o casamento de Chuck e Sarah.

Chuck recruta a família, amigos e alguns aliados inesperados enquanto ele corre para impedir Nicholas Quinn (ANGUS MACFADYEN) de destruir tudo o que Chuck construiu ao longo dos últimos cinco anos.