Alors que la CIA et la NSA viennent de récupérer le cipher, la dernière pièce du nouvel Intersect, Chuck réalise qu'il va pouvoir retrouver une vie normale. Il se décide donc enfin à inviter Sarah mais leur premier rendez-vous tourne court lorsque John leur annonce que le cipher vient d'être dérobé.

Alors que le cipher utilisé s'est révélé être un piège destiné à détruire l'Intersect, Chuck, Sarah et John tente de récupérer le véritable appareil. Ils découvrent qu'il est en possession de Sasha Banacheck, une ex-agent du KGB qui ne peut être approcher que d'une seule manière: En étant séduite. La NSA et la CIA charge donc l'équipe de localisé Roan Montgomery un ex agent spécialiste en la manière afin de transformer Chuck en un redoutable séducteur.

Sarah rencontre par hasard une copine de lycée, Heather, et son mari. Chuck a un flash sur ce dernier. Il serait impliqué dans une vente de bombe high-tech à des Russes. Pour empêcher cette transaction, Sarah, Chuck et Casey doivent se rendre à la réunion d'anciens élèves au lycée de Sarah.

Au Buy More, des personnes louches cherchent Jeff alors que Chuck flash sur ces derniers. Chuck et Casey découvrent que ce sont des terroristes qui ont détournés un satellite dormant et qu'ils veulent l'activer pour lancer des missiles. Le code pour désactiver le satellite semble se trouver dans le dernier niveau de Missile Command et Jeff semble être le dernier recours de Chuck pour trouver ce code.

Chuck est appelé pour réparer un ordinateur où il va rencontrer son premier amour, Jill qui lui a brisé le coeur quelques années auparavant. Alors qu'ils discutent, Jill lui présente son patron, une rencontre provoquant un flash de l'Intersect. Ce dernier semble être lié à un trafic d'armes biologiques. Chuck va devoir en apprendre plus auprès de Jill...

Chuck,Sarah et Casey ont réussi à s'emparer de la liste des agents du Fulcrum infiltrés à la NSA.C'est alors que Winterbourne, un agent du Fulcrum prend Jill en otage afin de récupérer la liste.

Craignant un cambriolage, Big Mike demande à Morgan, Jeff et Lester de surveiller le Buy More durant Thanksgiving. De son côté, après avoir découvert quelque chose sur Jill, Chuck ne sait plus à qui faire confiance...

Casey doit faire face à son ancien mentor, Ty Bennett, qui s'est reconverti dans le vol et la revente d'armes. Trop impliqué, Casey se voit retirer cette mission, ce qui n'est pas pour lui plaire. Pendant ce temps, les parents de Devon débarquent pour aider à planifier le mariage. Au Buy More, Emmett lance le concours de l'employé du mois.

Décidé à emménager avec Anna, Morgan va emprunter de l'argent à Trop Top pour louer un appartement, mais il le dépense aussitôt en achetant une voiture ancienne. Le père de Sarah réapparaît. Escroc de grande envergure, il a réussi à extorquer 700 000 dollars à un cheik que la CIA soupçonne de financer des terroristes. Aidé de Chuck et de Casey, le père et la fille vont tenter d'obtenir les numéros de compte secrets du cheik...

La veille des fêtes de Noël, une voiture finit sa course au Buy More. Le conducteur décide alors de prendre tous les employés en otage. Pendant les négociations pour libérer les otages, Chuck réalise qu'un agent du Fulcrum est présent...

Chuck doit protéger Tyler Martin, une rock star anglaise.

C'est le jour de la Saint Valentin. Alors que Sarah et Chuck protègent leur couverture en fêtant cet événement, les services secrets font appel à eux pour démasquer une cellule terroriste dans une petite banlieue où ils devront se faire passer pour un couple marié. A Buy More, Big Mike est particulièrement de mauvaise humeur. Sa femme lui a demandé le divorce... Le jour de la Saint-Valentin. Morgan, Lester et Jeff tente de sauver "leur Buy More" en aidant Big Mike à retrouver l'amour.

L'amitié entre Chuck et Morgan est mise à rude épreuve quand Chuck doit, dans le cadre d'une mission de haute importance, apporter son aide au nouveau petit ami d'Anna...

Chuck est terriblement jaloux car Sarah doit séduire un agent secret très attirant. A Buy More, Jeff et Lester cherchent la plus belle fille du magasin...

Le plan de Fulcrum visant à développer leur propre intersect met Chuck sous pression...

Chuck est contacté par l'unique personne qui peut effacer l'intersect de son cerveau. Il commence à ne plus savoir à qui faire confiance et ne sait pas vers qui se tourner. Entre temps, Buy More a des ennuis avec le Buy More de Beverly Hills.

Une agent est envoyée pour évaluer les performance de Sarah alors que les sentiments de Chuck pour elle sont révélés. Pendant ce temps, Morgan, Jeff et Lester essayent d'être invités à la fête de Capitaine Génial.

Les rêves de Chuck deviennent réalité : son père est de retour et il postule pour un travail avec son héros Ted Roark. Malheureusement pour Chuck, rien ne se déroule comme il l'espérait...

Le père de Chuck est enlevé, l'espion doit alors demander de l'aide à son ex-petite-amie, Jill.

Alors que Chuck et Sarah désertent pour sauver Steve Bartowski, le père de Chuck, ils découvrent que l'absence de toute surveillance de la part de la CIA laisse place laisse à des sentiments auxquels ils ne s'attendaient pas. Mais alors qu'ils deviennent plus proches, Casey arrive à cerner leur position secrète. Pendant ce temps, Morgan devient la paria du Buy More après avoir par erreur permis à Emmet d'être promu.

Le jour du mariage entre Ellie et Awesome arrive enfin, mais Chuck doit empêcher Ted Roark et Fulcrum de gâcher le plus beau jour de la vie de sa soeur. Dès lors, et comme il n'a plus l'Intersect dans sa tête, Chuck doit faire face à sa plus dangereuse mission : décider de ce qu'il va faire du reste de sa vie.