W odcinku premierowym czwartego sezonu Chuck i Morgan udają się na samowolną, obejmującą cały świat misję polegającą na odnalezieniu matki Chucka, Mary Bartowski (LINDA HAMILTON). Gościnnie pojawia się także OLIVIA MUNN.

Chuck i Sarah podróżują do Mediolanu, aby odzyskać najnowocześniejszą tajną broń. Casey usiłuje zapuścić korzenie. Gościnnie pojawiają się KAROLINA KURKOVA, LOU FERRIGNO oraz ISAIAH MUSTAFA.

Przeszłość Chucka i Sarah wraca, aby ich prześladować, gdy transfer więźniów sprowadza do Buy More starych wrogów. Gościnnie pojawiają się NICOLE RICHIE, STEVE AUSTIN oraz STACY KIEBLER.

Chuck i Sarah pracują nad komunikacją, a Awesome ponownie spotyka kogoś z jego przelotnej szpiegowskiej przeszłości: generalissimusa Goyę (ARMAND ASSANTE). Pojawiają się także TIA TEXADA oraz MEKENNA MELVIN.

Najnowsza misja Chucka łączy się z przeszłością Caseya… i prawdopodobnie mamą Chucka. Morgan zdobywa się na odwagę i ujawnia Caseyowi wielki sekret. Gościnnie pojawia się ERIC ROBERTS.

Marzenie Chucka o odnalezieniu matki (LINDA HAMILTON) może okazać się jego najgorszym koszmarem. Do tego w Buy More trwa Halloween. Gościnnie występują MORGAN FAIRCHILD oraz ROBERT ENGLUND.

Po swojej pierwszej poważnej sprzeczce Chuck unika Sarah poprzez udanie się na samowolną misję, która prowadzi go do opiekuna z MI6 (TIMOTHY DALTON) jego matki. Gościnnie występuje także ANA GASTEYER.

Chuck boi się, że wielka strata może zakończyć jego szpiegowską karierę oraz relację z Sarah. Gościnnie występują ROB RIGGLE, SUMMER GLAU oraz RICHARD CHAMBERLAIN.

Szpiegowskie życie Chucka przecina się z jego życiem domowym, gdy na kolacji z resztek po Święcie Dziękczynienia zjawiają się niespodziewani goście. Gościnnie występują LINDA HAMILTON, MONET MAZUR oraz TIMOTHY DALTON.

Gdy misja zaprowadza go do francuskiej winnicy, Chuck próbuje jednocześnie wyśledzić nanochip oraz stworzyć idealny, romantyczny wypad z Sarah. W Buy More Lester przychodzi do Wielkiego Mike'a ze swoimi miłosnymi problemami.

Sarah wyrusza na misję, która może się okazać jej ostatnią. Tymczasem Ellie i Awesome sprzeczają się o imię dla dziecka. W odcinku pojawiają się LINDA HAMILTON, TIMOTHY DALTON oraz MEKENNA MELVIN.

Misja polegająca na zdjęciu Volkoffa (TIMOTHY DALTON) przybiera nowy, niebezpieczny obrót, a w domu szykują się wielkie zmiany. Gościnnie występują także LINDA HAMILTON oraz MEKENNA MELVIN.

Drużyna leci do Maroka, aby uratować Roana Montgomery'ego (JOHN LARROQUETTE). Morgan przygotowuje się na spotkanie z mamą Alex (MEKENNA MELVIN). Tymczasem Mary (LINDA HAMILTON) zbliża się do swojej rodziny.

Chuck przyciąga kłopoty, gdy doprowadza do spotkania Sarah z jej starą drużyną szpiegowską o nazwie CAT Squad. Morgan odpiera zaloty Cariny (MINI ANDEN). Gościnnie pojawia się także LOU DIAMOND PHILLIPS.

Romantyczne walentynki zostają zakłócone, gdy drużyna zostaje wysłana na misję na bal maskowy do Anglii. Morgan zastanawia się nad ważną decyzją. Gościnnie pojawiają się ROBIN GIVENS oraz LAUREN COHAN.

Chuck nakłania Vivian (LAUREN COHAN) do nawiązania kontaktu z jej wewnętrzną przestępczynią, a Sarah próbuje nawiązać kontakt ze swoją wewnętrzną panną młodą. Gościnnie występuje także RAY WISE („Żniwiarz”).

Chuck i Sarah podejrzewają, że Casey wykonuje prywatne misje. Chuck martwi się, że pozornie idealni nowi agenci CIA (ISAIAH MUSTAFA oraz STACY KEIBLER) sprawią, że stanie się bezużyteczny.

Gdy szpieg zostaje zamordowany w Zamku, zadaniem Chucka jest zdobycie informacji, czyja to robota, a ekipa Morgana w Buy More prowadzi wojnę z Large Martem. Gościnnie występuje ROBIN GIVENS.

Aby uratować życie byłego sprzymierzeńca, Chuck musi połączyć siły ze swoim największym wrogiem, Alexeiem Volkoffem (TIMOTHY DALTON). Gościnnie pojawiają się także LAUREN COHAN, LINDA HAMILTON oraz MEKENNA MELVIN.

Gdy Chuck i Sarah tracą pieniądze na ślub z powodu oszustwa, o pomoc mogą zwrócić się do tylko jednego mężczyzny: ojca Sarah, kanciarza Jacka Burtona (GARY COLE – „Żona idealna”).

Wieczór kawalerski Chucka wymyka się spod kontroli, gdy przybywa kilku niezaproszonych gości. Gościnnie występuje RAY WISE („Żniwiarz”, „Miasteczko Twin Peaks”).

Chuck i Sarah śpieszą się, aby na czas uratować matkę Chucka (LINDA HAMILTON) przed dniem ich ślubu. Gościnnie pojawiają się LAUREN COHAN, MEKENNA MELVIN oraz RAY WISE.

W odcinku finałowym czwartego sezonu Operacja Bartowski nabiera tempa, aby uchwycić Vivian Volkoff (LAUREN COHAN), która zagraża ślubowi Chucka i Sarah.