La CIA e la NSA ricostruiscono e prendono il controllo del Buy More, facendone una base segreta. Sarah e Casey vanno in missione in Russia, più precisamente nelle Volkoff Industries, che sono controllate da dei criminali.

Chuck e Sarah vanno a Milano per rubare un chip usato per la creazione di proiettili intelligenti ad una spia che come copertura per viaggiare in tutto il mondo fa la modella.

Il viaggio di Sarah e Chuck a Montecarlo viene sospeso perché un furgone della CIA, contenente due criminali, ha dei problemi tecnici e così i criminali vengono trasferiti momentaneamente nella base segreta sotto il Buy More.

Chuck e Sarah lavorano sulla loro relazione e, cogliendo l'occasione, accompagnano Ellie e Devon a Costa Gravas dove sono stati invitati dal premier Alejandro Goya.

Chuck, dopo aver scoperto che i membri del vecchio team di Casey potrebbero aiutarlo ad avere maggiori informazioni su Frost, organizza una trappola per catturarli.

Mentre i dipendenti del Buy More sono impegnati ad organizzare la festa di Halloween, il team Bartowski deve fronteggiare i piani sinistri di un malvagio scienziato, il Dr. Stanley Wheelwright, il quale è intenzionato a mettere sul mercato una pericolosa tossina in grado di provocare terrificanti incubi.

Chuck litiga con Sarah perché Casey e Sarah hanno arrestato Mary Bartowski per tradimento.

Nella speranza di riavere l'Intersect, Chuck va in missione con l'aiuto dell'agente Jim Rye per recuperare un diamante battuto all'asta da Adelbert de Smet alias "Il Belga" e contenente preziose informazioni governative.

Chuck è prigioniero del Belga che vuole il suo Intersect, ma poiché esso non funziona deve prima spingere il cervello di Chuck a riattivarlo.

Chuck resta comunque una spia anche senza Intersect. Alexei Volkoff ha scoperto che Chuck è ancora vivo e incarica sua madre di occuparsi della sua morte.

Aria di matrimonio a Burbank: Lester sta per incontrare la promessa sposa scelta dai suoi genitori, mentre Chuck è alla prese con la proposta di matrimonio da fare a Sarah.

Dopo tre settimane che Sarah è andata in Europa per farsi notare da Volkoff finalmente le viene concessa una possibilità da lui stesso.

Volkoff riceve dei messaggi da Orion e incarica uno scagnozzo di indagare e scoprire se Orion è ancora vivo e dove si è nascosto.

Chuck, Sarah e Casey vengono mandati in Marocco per salvare Roan Montgomery.

Chuck decide di fare un sorpresa a Sarah, riunendo la vecchia squadra di lei tutta al femminile, The Cat Squad.

Le spie hanno una nuova missione: proteggere l'ereditiera Vivian McArthur, unica figlia del criminale russo Alexei Volkoff.

Chuck convince Vivian a fingersi malvagia per una missione, mentre Sarah è impegnata con i preparativi delle nozze imminenti.

Chuck e Sarah sono alle prese con il nuovo e misterioso incarico di Casey.

Chuck, dopo il fallimento della nuova squadra Intersect, viene nominato leader del progetto ed è alle prese con la sua prima missione. Il reclutamento del futuro Intersect.

Il team Bartowski riceve l'ordine di eliminare Vivian Volkoff, divenuta ormai pericolosa secondo la CIA.

Chuck e Sarah festeggiano i propri addii al celibato e al nubilato, organizzati rispettivamente da Devon ed Ellie.

Chuck e Sarah sono alle prese con gli ultimi dettagli del loro matrimonio quando devono correre in missione per salvare Mary Bartowski, tenuta prigioniera da Vivian Volkoff.

Chuck decide di salvare Sarah, vittima del Norseman con l'aiuto di Alexei Volkoff.