Après avoir subi une importante intervention chirurgicale, Beckett prend trois mois pour récupérer avant de retrouver son poste à la police de New York. Elle ne parle plus à Castle depuis son opération et s'est séparée de Josh. Elle commence à chercher celui qui lui a tiré dessus mais Castle essaye de l'en dissuader car il estime que c'est trop dangereux pour elle, pourtant, il va découvrir qu'il va pouvoir en savoir plus sur le mystère de la mort de la mère de Beckett. Parallèlement, l'équipe enquête sur le meurtre de Sonia Gilbert l'ex petite amie d'un membre de groupe de rock.

Un truand est retrouvé découpé en deux dans une ruelle. Castle et Beckett découvrent qu'il s'agit d'un justicier masqué armé d'un sabre, inspiré d'un super-héros de comics, mais ciblant un certain gang.

L'équipe de Beckett et Castle enquête sur la mort d'un professeur qui voulait prolonger la vie. Plusieurs suspects sont dans la ligne de mire de Kate dont un producteur de porno et une compagnie de cryogénie. Alexis reçoit sa lettre d'admission de l'université de Stanford.

Castle et Beckett enquêtent sur la mort d'une jeune femme tuée par l'ancienne arme de service du lieutenant Ryan, celle qui avait été volée par le tueur en série, surnommé le triple tueur (3XK en VO), Jerry Tyson. L'enquête prend une nouvelle tournure quand les indices pointent vers la mafia chinoise.

L'équipe de Kate et Castle enquêtent sur la mort du directeur d'un musée, Brian Hayes, et du vol d'une sculpture représentant le « Poing du capitalisme ». Au cours de l'enquête, Kate et Richard se verront imposer par Victoria, la présence de Serenay Kaye, une ancienne voleuse d'œuvre d'art qui est devenue enquêtrice pour une compagnie d'assurances. Kate et Castle doivent apprivoiser leur sentiment vis-à-vis de l'autre.

Castle et Beckett sont confrontés au paranormal lorsqu'un célèbre chasseur de fantômes est mystérieusement assassiné alors qu'il enquêtait dans un manoir hanté de New York. Castle et Ryan suivent la piste des spécialistes du mystérieux quand Beckett se veut plus pragmatique. Dans cet épisode, Lanie et Esposito se séparent.

Alors que Castle et sa mère sont à la banque pour obtenir un prêt, un braquage de banque a lieu. Chacun des braqueurs se fait appeler par un docteur connu de la télé, le Dr Howser, le Dr Quinn, le Dr Huxtable et le Dr Trapper John. Castle, qui est au téléphone avec Kate au moment où le braquage commence, se fait prendre rapidement par l'un des docteurs. Sachant que Kate et la police sont sur place, Castle tente par tous les moyens de communiquer des informations de l'intérieur à Kate. Suite à cet événement, Alexis rompt avec Ashley.

Un propriétaire de casino d'Atlantic City est retrouvé assassiné dans un entrepôt abandonné. Tandis que Beckett et le capitaine Gates enquêtent à New York, Castle, Ryan et Esposito se rendent dans la « ville du jeu » dans l'espoir de résoudre l'affaire mais également d'organiser l'enterrement de vie de garçon de Ryan. De son côté, Alexis, afin d'oublier Ashley, commet une gaffe en organisant une fête.

Un sniper terrorise la ville en tuant des gens dans la rue, les victimes n'ayant aucun lien entre elles. Le tireur laisse derrière lui des poupées en carton découpées dans des peintures de grand maître d'art. L'équipe de Beckett et Castle enquête afin de trouver l'identité de ce tireur fou.

Au même moment, Kate subit les répercussions psychologiques de la fusillade dont elle a été la victime lors des funérailles du capitaine. Son psychologue lui demande de se retirer de l'enquête sur le tireur fou, mais Kate refuse.

Beckett se réveille et s'aperçoit qu'elle est couchée avec Castle, sur un matelas. Elle s'affole et remarque qu'elle est menottée à Richard. Elle s'imagine que c'est une idée coquine de Richard pour coucher avec elle. Elle réveille Castle et lui demande ce qui s'est passé.

Seulement, tout comme Kate, Richard n'a aucun souvenir expliquant la raison de leur présence dans ce lieu. Kate ressent quelque chose dans son dos. Richard découvre une trace de piqûre et en déduit qu'ils ont été drogués, d'où la perte de mémoire. Lentement, Kate et Richard tentent de retracer les événements qui ont pu les mener jusque là.

Suite à cet événement, Victoria Gates instaure un nouveau règlement au poste : préciser à un supérieur le lieu où se déroule l'intervention.

Castle et l'équipe de Beckett enquêtent sur la mort d'un homme, retrouvé nu au milieu d'un stand de fruits. L'équipe apprend que l'homme avait deux noms : Michael Bailey et Jake Hendricks. Au cours de l'enquête, l'équipe découvre la véritable identité de l'homme et son véritable « passe-temps ». Les faits impliquent Jenny, la future épouse de Ryan.

En parallèle, Jenny impose à Ryan une cure pour purifier le corps avant le mariage. Cela a des répercussions sur le comportement de Ryan. Esposito, qui est toujours célibataire depuis sa séparation avec Lanie, est jaloux que cette dernière l'ait déjà remplacé. Plus tard, le mariage de Jenny et de Ryan est célébré.

Castle et l'équipe de Beckett enquêtent sur la mort de Laura Cambridge, une brillante professeur qui a tout quitté pour devenir animatrice de téléphone rose pour une ligne érotique. Bien vite, les soupçons se portent vers le maire, Robert Waldon. Castle, qui croit en l'innocence du maire, doit prouver que le maire n'est pas coupable. Richard reçoit un appel de l'homme qui lui avait demandé de détourner Kate de son enquête sur la mort de sa mère. Il comprend assez rapidement que c'est cette même organisation qui est derrière la mort de Laura. Richard aimerait bien en savoir plus sur cette organisation, mais l'homme le met en garde.

Alors qu’un célèbre dresseur de chiens est assassiné, l’enquête pointe vers une star charismatique de la téléréalité : Kay Cappuccio. Kay, chouchoute des magazines et sites people, est devenue célèbre sans avoir fait preuve de talents particuliers. Il semblerait cependant qu’elle cache quelque chose…

Reggie Starr, le petit ami de Kay et le Dr Patty Barker une thérapeute aux talents reconnus, sont sollicités lorsque l’un des clients de Patty est témoin du meurtre.

En parallèle, Castle et Beckett se disputent la garde temporaire du chien de la victime. Pendant qu'Esposito s'aperçoit qu'il a le béguin pour Kay Cappucio et possède toujours de l'animosité envers Lanie, ce qui fait réagir cette dernière.

De son côté, Alexis part visiter une université avec son amie Bouton Dutton.

L'équipe enquête sur la mort d'un chasseur de trésor, Stan Bank, dans un ancien club du nom de Pennybaker club. Richard Castle, qui a découvert un vieux journal intime d'un détective privé de 1947, en lit plusieurs pages, en espérant découvrir la raison pour laquelle Stan Bank avait ce journal et pourquoi on l'a tué. Bien vite un lien est établi entre les événements que relate le journal et le meurtre de Stan Bank.

Alexis qui est à la recherche de ce qu'elle veut faire dans la vie, décide de suivre des stages. Comme elle n'a rien dit à son père, celui-ci découvre par hasard qu'elle fait un stage avec le Dr Lanie Parish. Richard n'apprécie pas trop de la voir évoluer dans ce domaine.

Entre temps, l'équipe de Beckett enquête sur la mort d'un homme inconnu. Étrangement, selon Lannie, l'homme a été étranglé, poignardé, s'est fait tirer dessus, a un crayon planté dans le cou pour être ensuite jeté d'une fenêtre. Bien vite l'équipe de Beckett base leur soupçon sur Thomas Gage. Ce dernier n'avoue rien, mais informe Kate et Richard qu'il n'existe pas, pire encore, qu'il va disparaître. Comme de fait, Thomas Gage disparaît, mais aussi la victime de la morgue. Alexis s'en veut de s'être fait voler le corps sous ces yeux, mais Lannie la rassure.

Au cours de l'enquête, Kate et Richard découvrent que Thomas Gage est relié à un certain projet Pandora. Au moment où l'inventeur du projet Pandora commence à révéler ce que c'est, les malheurs commencent pour Kate et Richard.

L'histoire reprend quelques secondes après les derniers événements.

L'équipe de la CIA vient récupérer Kate et Castle sur le quai où se sont produits ces événements avec le créateur du projet Pandora et sous les yeux interrogateurs de l'équipe de Beckett.

Sophia écarte Kate et Richard de l'enquête, du moins officiellement car elle sait que Richard voudrait savoir comment l'histoire se termine. Kate et Castle continuent leur investigation et découvrent ce que le créateur du projet Pandora avait établi.

Thomas Gage sauve Kate et Richard d'un traquenard. Il les informe qu'il y a un traître au sein de la CIA qui lui fait porter la responsabilité des événements passés. Sophia et la CIA retrouvent Gage, Castle et Kate afin de les amener dans leurs locaux. Quand, quelques heures plus tard, Sophia retrouve Thomas Gage mort dans sa cellule, elle est forcée d'admettre l'existence d'une « taupe » à la CIA. Après avoir découvert qui est cette présumée « taupe », celle-ci réussit à s'échapper.

En parallèle, la CIA, Kate et Richard vont tout tenter pour arrêter l'exécution du projet Pandora sans quoi un petit événement isolé provoquera une catastrophe pour les États-Unis.

Sophia parle du père de Castle à ce dernier. Elle affirme qu'il aurait disparu à cause de la CIA. Richard se demande si Sophia disait la vérité ou si elle mentait à propos de son père.

Martha, la mère de Castle, veut lancer son premier One Woman Show. Elle veut y raconter sa vie, dont celle qu'elle partage avec Richard et Alexis. Richard confie à Kate que cela l'agace de voir sa fille faire un stage avec Lanie et sa mère raconter sa vie dans un spectacle. Cependant, Martha a invité Kate à son spectacle, ce qui ne plait pas à Castle.

Entre-temps, l'équipe de Beckett et Castle enquêtent sur la mort d'une femme dans Central Park, qui était habillée comme le « Petit Chaperon rouge ». Elle avait au visage des traces de griffes, ce qui laisse à penser à Richard et à Ryan que le coupable ne peut être que le « Grand Méchant Loup ». Kate ironise de la situation. L'affaire se complique quand l'équipe trouve une femme habillée comme « Blanche-Neige » avec une pomme à la main, morte également dans Central Park. Chacune des victimes ont retiré de leur compte en banque, le montant de 50 605 dollarsUS. Bien vite, Kate et Richard concluent à un tueur en série, fan de conte de fée, qui fait chanter ses victimes en réclamant cette somme. Au cours de l'enquête, l'équipe de Beckett et Richard découvrent une troisième victime, qu'ils réussissent à sauver, mais celle-ci est habillée comme la « Belle au bois dormant ».

Martha veut faire de la publicité pour son école de théâtre. Elle a la brillante idée d'inviter Oona Marconi, la critique de théâtre qui l'a sévèrement critiquée, pour un ancien rôle dans une pièce de théâtre. Richard, qui l'avait pressenti et avertie sa mère, s'aperçoit que la rencontre tourne au désastre. Plus tard, suite à une suggestion de Richard, Martha réussit finalement à avoir la publicité de son école dans un article de Oona Marconi.

L'équipe de Beckett enquête sur la mort d'une participante de l'émission Night of Dance, Odette Morton. Elle a été retrouvée morte dans sa loge, alors que l'enregistrement de l'émission commençait. Au cours de l'enquête, l'affaire se complique lorsque l'équipe découvre une autre femme, du nom de Barbara Landau, qui ressemble à Odette Morton. Bien vite un lien est fait entre les deux femmes. L'équipe de Beckett et Castle découvrent bien plus qu'un simple changement d'identité entre les deux femmes.

De leur côté, afin de tester une théorie qui dit que les hommes récemment mariés sont ignorés par les femmes célibataires, Ryan prête sa bague de mariage à Esposito. Cependant, ce dernier n'arrive plus à retirer la bague de son doigt, ce qui affole Ryan.

Lors d'une manifestation « Occupons Wall Street », à New York, une bombe explose sur la place Boylan. Le FBI demande la collaboration de la police de New York pour l'enquête. C'est la capitaine Victoria Gates qui prend les commandes de celle-ci. Le FBI demande à Gates et son équipe de rechercher les témoins présents près de l'endroit où se trouvait la bombe, 47 secondes avant l'explosion. C'est avec minutie et précision que Castle retrace, avec les informations que Beckett et l'équipe lui ont apportées, les 47 secondes avant l'explosion pour découvrir le poseur de bombe.

Entre temps, cet événement fait réaliser à Richard qu'il n'a toujours pas déclaré ses sentiments à Kate. Sur les conseils de sa mère, Castle décide de les lui avouer, mais un événement vient perturber ses sentiments. En effet, il apprend de la bouche de Kate, lors d'un interrogatoire, alors qu'il arrivait à l'improviste, qu'elle se souvient à la seconde près des moindres détails où elle s'est fait tirer dessus, lors des funérailles de l'ancien capitaine. Castle est attristé de voir que Beckett lui a menti.

Kate demande à Lanie si elle a observé un changement de comportement chez Richard. Elle se demande pourquoi il est distant avec elle. Lanie demande à Kate si elle lui a déclaré ses sentiments. Kate affirme que non, car elle n'est pas prête. Lanie lui suggère de déclarer ses sentiments à Castle, car il n'attendra pas longtemps. Tout au long de l'enquête, Lanie tente d'aider Beckett à dévoiler ses sentiments pour Castle, sans succès.

Entre temps, l'équipe enquête sur la mort de Naomi Allen, une anglaise de 25 ans qui était mannequin pour le groupe Kittman. Son corps a été retrouvé dans un motel miteux. Bien vite, l'équipe de Beckett et Castle font la connaissance de l'inspecteur détective Colin Hunt, de Scotland Yard. Il connaissait et surveillait la victime. Colin fait une demande à Beckett et à Gate, afin de participer à l'enquête. Les deux acceptent, ce qui rend jaloux Castle par la suite. Ce qui, au départ de l'enquête, semblait être une histoire de bagarre dans une fête qui a tourné au meurtre, va prendre pour Kate, Colin et Castle, des dimensions internationales.

Castle tente de rendre jalouse, Kate, en sortant avec une hôtesse de l'air du nom de Jacinda.

Alexis n'arrive toujours pas à faire son choix d'université. Ses choix se portent sur Oxford et Stanford. Suite à une remarque de son père, Alexis finit par faire un choix qui va en surprendre plus d'un.

Martha fait la leçon à Richard quant à son attitude et comportement envers Beckett. Elle lui implore de dévoiler ses sentiments à Kate et de cesser de la punir, en changeant de coéquipier ou en paradant avec une hôtesse de l'air.

L'équipe de Beckett enquête sur la mort de Daniel Lock, 29 ans, un jeune trader dont on a retrouvé le corps dans le parking souterrain de l'endroit où il travaille. Le corps porte des marques de morsures, comme celles d'un chien. Après quelques recherches, l'équipe va retrouver un témoin, Charles Coleman, trader, qui lui aussi porte les mêmes marques de morsures que Lock. Ce témoin, vivant, affirme que ce sont des zombies qui ont tué Lock et qui l'ont agressé. Alors que Castle se réjouit d'être tombé sur une affaire de zombies, Beckett arrête Coleman pour meurtre. Malheureusement, elle devra revoir sa position et relâcher Coleman, quand son équipe lui apportera une preuve tangible de l'existence du zombie meurtrier.

L'équipe de Beckett enquête sur la mort d'un jeune militaire hispanique de 20 ans, ancien voleur repenti, du nom d'Orlando Costas, dont le corps a été retrouvé dans une ruelle: Costas s'est fait tuer par deux armes à feu différentes. De plus, les marques retrouvées sur son cou et ses épaules indiquent qu'il portait sur son dos un objet lourd d'une quinzaine de kilos. Bien vite, la conjointe d'Orlando, Marisol Castenada, devient suspecte, puisqu'elle tente de fuir la ville. Comme celui-ci était membre d'un gang de rue avant qu'il ne devienne militaire, ses autres membres sont suspectés. Beckett réussit à faire parler l'un d'eux et trouve une église où Costas avait rendez-vous avec un homme. L'équipe en déduit qu'il est militaire de la même division que Costas, nommé Cole Maddox. Kate demande à Ryan et Esposito de retrouver ce Maddox.

Au cours de l'enquête, un vol de dossier et d'ordinateur chez l'ancien capitaine de police, Roy Montgomery, vient confirmer la thèse que le meurtre de Costas est lié au tireur qui a failli tuer Beckett un an plus tôt, et au meurtre de la mère de celle-ci. R.Castle demande alors à Kate de se retirer de l'enquête sur la mort de Costas, lui avouant avoir été en contact avec un ami de Montgomery qui connaît celui qui a tué la mère de cette dernière. Il lui déclare par la même occasion ses sentiments mais Kate refuse de se retirer de l'enquête. Castle dit alors partir définitivement, refusant de voir Beckett se faire tuer.

Kevin réclame à Javier d'informer la capitaine Victoria Gates des recherches et de la visite que Kate veut effectuer chez C.Maddox, mais Javier refuse, laissant Kevin indécis.

Kate va finalement, avec Esposito, retrouver ce Maddox dans un hôtel, mais très vite ce dernier met Kate dans une situation critique avant de disparaître. Attendant une mort inéluctable, Kate croit entendre la voix de Richard, mais est en réalité sauvée par des policiers emmenés par Gates et Ryan. Suite à cet événement, Kate remet sa démission au capitaine Gates, avant de se rendre chez Castle lui déclarer ses propres sentiments et se donner à lui.

De son côté, Alexis doit faire un discours le jour de sa remise des diplômes. Elle n'en dort plus et manque d'inspiration. Richard lui donne quelques pistes à suivre afin de l'aider.

Au moment où Alexis fait son discours de remise des diplômes, Cole Maddox rend visite à un certain monsieur Smith, ami de Roy Montgomery qui protège Beckett. Il demande à Smith les preuves qu'il détient sur son client et qui protègent celle-ci. Une fois qu'il aura obtenu les preuves, Cole Maddox déclare vouloir en finir avec Kate Beckett...