Beckett se encuentra luchando por su vida mientras Castle, al que persigue la culpa por el papel que ha jugado en el caso, trata de encontrar al responsable del tiroteo.

Un expresidiario es asesinado misteriosamente en un callejón y Castle y Beckett creen que el responsable es alguien relacionado con las fuerzas de la ley. Pronto descubren que el asesino es alguien que patrulla la ciudad vestido de superhéroe.

Disparos, una camioneta dada a la fuga y un enorme charco de sangre. Cuando Castle y Beckett llegan al lugar del crimen, sin embargo, descubren que falta la víctima. La investigación del caso les lleva al mundo de la ciencia aplicada a la extensión de la vida.

Un grupo de trabajadores descubre el cuerpo de una joven asesinada. La víctima fue abatida con un arma robada, que coincide con la que usó el asesino en serie 3XK. Castle y Beckett deben descifrar a contrarreloj las pistas para encontrar a 3XK antes que vuelva a matar.

El robo de una importante escultura de un museo se une a la investigación del asesinato de su director, que aparece clavado en otra de las obras. Castle y Beckett investigan el robo con la ayuda de una agente de seguros que oculta un oscuro secreto.

Castle y Beckett se ven sumergidos en el mundo paranormal al investigar el caso del asesinato de un cazador de fantasmas de renombre mundial. El hombre ha aparecido muerto mientras investigaba un caso de encantamiento en una legendaria mansión de Nueva York.

Un grupo de ladrones de bancos se atrinchera con rehenes en una sucursal de crédito. Entre las personas raptadas, se encuentran Castle y Martha. Beckett, en cambio, está fuera de la oficina. El secuestro es solo una distracción que tapa un plan mucho más siniestro.

Castle y Beckett investigan al asesinato del dueño de un casino en Atlantic City. Mientras, el escritor sacará tiempo para preparar la despedida de soltero de Ryan.

Beckett y Castle se encargan de investigar los asesinatos de un francotirador que está causando el pánico en la ciudad de New York.

En este episodio tiene lugar la boda de Ryan y Jenny. El equipo se encuentra resolviendo el asesinato de un infiltrado en una compañía farmacéutica, cuando descubren inesperadamente la relación pasada entre la víctima y alguien muy cercano a ellos.

Castle y Beckett descubren el cuerpo de una joven escritora en un coche. La chica andaba metida en una seria investigación para su próximo libro. Las pistas indican que el alcalde de Nueva York podría estar implicado en el crimen, puesto que el vehículo le pertenece.

Tras el asesinato de un famoso adiestrador de perros, las sospechas se centran en Kay Cappuccio, una carismática estrella de la televisión y asidua de las revistas del corazón de todo el mundo que alcanza la fama sin poseer ningún tipo de talento ni habilidad especial.

Castle y Beckett investigan el homicidio de un cazador de tesoros y descubren una caja vinculada a un misterioso asesinato de 1947. El escritor se dará cuenta de que para resolver el misterio actual tienen que desentrañar el crimen del pasado.

Castle y Beckett persiguen a un asesino sin escrúpulos, que en realidad forma parte de una siniestra conspiración internacional.

Castle y Beckett están atrapados en el coche mientras este se hunde. Al final, consiguen huir, pero, una vez salvados, la agente Sophie de la CIA les expulsa del caso y comenta de manera poco discreta la implicación emocional que tuvo con Castle años atrás.

Una mujer disfrazada de Caperucita Roja aparece muerta en el bosque con marcas de mordiscos en el cuerpo. Pronto, aparece el cadáver de otra chica vestida de Blancanieves con una manzana envenenada en la mano. Castle y Beckett deben desvelar la identidad del asesino.

Odette Morton, una de las concursantes de un exitoso programa televisivo de baile, aparece muerta en su camerino. Castle y Beckett descubren que la estrella del espacio de telerrealidad ocultaba un sorprendente secreto que podría ser la clave para resolver el crimen.

Una bomba estalla durante una protesta y mata a cinco personas. Castle y Beckett se dan cuenta de que la clave para resolver el caso es descubrir qué pasó durante los 47 segundos previos. Con la ayuda de grabaciones de vídeo, descubren la impactante verdad.

El atractivo detective de Scotland Yard Simon Hunt se une a Castle y Beckett para investigar el asesinato de una joven, hija de su amigo. Nigel Winthrop, un importante miembro del consulado británico, se convierte en el principal sospechoso del crimen.

Con las tensiones en aumento entre Castle y Beckett, el escritor encuentra un nuevo compañero. Se trata del detective Ethan Slaughter, un duro miembro de la unidad policial dedicada a terminar con los grupos pandilleros de la ciudad.

Castle y Beckett investigan el asesinato de un hombre con extrañas mordeduras humanas. Las teorías más descabelladas de Castle se disparan, pero ninguna es tan sorprendente como la versión que aporta el único testigo: la víctima ha sido objeto de un ataque zombi.

En el desenlace de la cuarta temporada, Richard y Kate toman una decisión que cambiará sus vidas. Tras el hallazgo del cuerpo sin vida de un veterano del ejército, Beckett descubre pruebas que relacionan al asesino con el robo de documentos de casa de Montgomery.