Booth i Brennan wyjeżdżają do Londynu. Oboje są przybici zamknięciem Zacka w szpitalu psychiatrycznym. Agent i pani doktor mają w Wielkiej Brytanii wykłady i angażują się w pewne śledztwo dotyczące śmierci młodej Amerykanki. W międzyczasie mąż Angeli, Grayson Barasa, pojawia się w instytucie. Odmawia podpisania papierów rozwodowych. Chce, by Angela do niego wróciła.

W londyńskim mieszkaniu zostają znalezione zwłoki antropologa sądowego, Iana Wexlera, przyjaciela Bones. Podejmuje się ona pomóc w śledztwie, w czym wspiera ją Booth. Angela i Hodgins postanawiają się rozstać.

Ciało popularnego prowadzącego reality show zostaje znalezione w stanie częściowego rozkładu w wychodku. Booth i Brennan muszą się dowiedzieć, kto go zabił. W międzyczasie Booth tłumaczy Brennan, że bycie w dwóch związkach naraz jest błędem.

Parker, syn Bootha, znajduje ludzki palec w ptasim gnieździe. Ekipa zaczyna poszukiwać reszty ciała.

Części rozczłonkowanego ciała zostają znalezione w basenie pełnym fioletowej wody. Nie ma tam jednak głowy. Ekipa dowiaduje się, że ciało należy do Jareda Addisona, pisarza science fiction, który miał problemy psychologiczne. Z pomocą Sweetsa kolejni podejrzani zostają wyeliminowani. Ekipa ma problemy ze znalezieniem wystarczającej ilości dowodów w sprawie. Nadal nie ma też głowy ofiary. Jednak tylko do czasu, kiedy z pomocą wkracza Zack.

Szczątki menedżerki pewnego biura zostają odnalezione w szybie windy. Booth i Brennan muszą się dowiedzieć, który ze współpracowników zabił kobietę. Podczas śledztwa dowiadują się ciekawych rzeczy o pracownikach firmy. Angela i Hodgins próbują unormować sytuację w pracy po swoim zerwaniu.

Booth i Brennan rozpoczynają śledztwo w sprawie ciała znalezionego w zatoce Chesapeake. Po przyjeździe znajdują tylko górną część tułowia, co pozwala ekipie na trochę pracy, w której pomagają jedynie implanty piersi ofiary. Brennan i Booth docierają do małego kościoła w Marylandzie, gdzie okazuje się, że ofiara była pastorem. Gdy ekipa znajduje dolną część ciała, okazuje się, że wstępne wnioski mogły być błędne.

Dwóch mężczyzn znajduje na złomowisku wrak auta, w którym jest ludzka czaszka. Obiekt zostaje przetransportowany do Instytutu Jeffersona. Booth i Brennan szybko docierają do galerii, gdzie zmiażdżone samochody uważane są za dzieła sztuki. Właścicielką tego miejsca jest kobieta wyraźnie zafascynowana sztuką kabuki, natomiast jej asystentka, Roxie, jest dawną znajomą Angeli. Wszystko wskazuje na to, że szkielet w aucie należał do artysty, który popełniając samobójstwo, chciał ukoronować swoją twórczość. W laboratorium ponownie pomaga Daisy Wick.

Podczas szkolenia wojskowego demonstracyjnie zostaje wysadzone laboratorium amfetaminy. Okazuje się, że w środku znajdowały się ludzkie szczątki, które podczas eksplozji poszybowały nad okolicą. Wydaje się, że znalezione kości należą do ojca marnotrawnego młodego inżyniera, ale wkrótce wychodzi na jaw, że to nieprawda – szczątki należą do jego dawnego wspólnika, który się pod niego podszywał. Sprawa trochę się komplikuje. W laboratorium ponownie pomaga Clark. Pojawia się także brat Bootha.

Brennan i Booth spokojnie lecą do Chin, gdzie Brennan ma zidentyfikować prehistoryczne szczątki. W trakcie lotu w wielkiej lotniczej mikrofalówce zostają odnalezione ugotowane ludzkie szczątki. Booth i Bones, używając supernowoczesnego sprzętu antropologicznego, wysyłają dowody do Instytutu. Odkrywają, że ofiara była dziennikarką, która pisywała kontrowersyjne artykuły o liniach lotniczych. Booth i Bones muszą znaleźć mordercę, nim samolot wyląduje w Chinach, a FBI straci jurysdykcję.

Ojciec Brennan, Max, rozpoczyna pracę na stanowisku nauczyciela w Instytucie. Kiedy kończy pomagać w rozwiązywaniu sprawy morderstwa, Bones zaczyna irytować jego nagła i częsta obecność w jej naukowym życiu.

Bones otrzymuje do identyfikacji szkielet bliźniąt syjamskich. Wkrótce okazuje się, że pracowały one w cyrku. Bones i Booth muszą udać się tam pod przykrywką, udając małżeństwo cyrkowców.

W jeziorze zostają odnalezione szczątki strażaka. Booth jest jednym z podejrzanych, bo razem z ofiarą grywał w hokeja. Śledztwo prowadzi agentka Payton Perotta. Między Boothem a nią iskrzy. Bones uczy się jeździć na łyżwach. W odcinku wystąpił gościnnie były zawodowy hokeista, Kanadyjczyk Luc Robitaille.

Hodgins nadal nie wyzwolił się z traumy po porwaniu przez Grave'a Diggera. Częściowo obwinia się za porwanie Bootha. Wychodzi na jaw, że Booth został otumaniony i zamknięty w czymś wyglądającym jak żółta łódź podwodna. Booth staje twarzą w twarz z kimś ze swojej wojskowej przeszłości. Ekipa pracuje nad zlokalizowaniem Bootha i poznaniem, kto stoi za porwaniem. Dowiadujemy się, dlaczego syn Bootha ma na imię Parker. Brennan, Hodgins i Thomas Vega, Judge Dix Williams i AUSA Kim Kurland (ostatnia trójka znana z epizodu 02x09) są podejrzani po tym, jak część dowodów w sprawie znika. Hodgins ma obsesję na punkcie Grave'a Diggera. Vega pisze na ten temat książkę. W sprawie pomaga Jared, brat Bootha.

Bones i agentka Payton Perrota prowadzą dochodzenie w sprawie morderstwa kobiety. Booth i reszta robią za wsparcie. Ich śledztwo prowadzi je na spotkanie fanów fantasy, Magic-Con (parodię Comic-Conu), gdzie dowiadują się, że zamordowaną kobietę można połączyć z starym rekwizytem – Excaliburem, znanym ze sławnego francuskiego filmu Śmierć Artura (fr. Le Morte d' Arthur).

Booth i Bones prowadzą dochodzenie w sprawie sprzedawcy samochodów, którego szczątki odkryła skacząca na bungee para młoda.

Booth i Bones prowadzą dochodzenie w sprawie śmierci dziewczyny z drużyny siatkarskiej. Jak się okazuje, była ona w ciąży, podobnie jak siedem innych dziewcząt z drużyny (4 z nich z tym samym chłopakiem). Roxie zrywa z Angelą, która szukając pocieszenia, spędza noc z Hodginsem.

Gdy zespół zauważa na uchu ofiary odłamek meteorytu, doprowadza ich to do Instytutu Informatyki Collar – znanego Centrum Badań w Dziedzinie Fizyki. Po przesłuchaniu naukowców B&B identyfikują ofiarę jako dr Diane Sidman – wybitnego naukowca oraz redaktora naczelnego „Dziennika Urzędowego z Instytutu Collar” i jego założycielkę. Dr Sidman pracowała właśnie nad kontrowersyjnym projektem. Poszukiwania zabójcy doprowadzają Bootha i Brennan do bardzo niebezpiecznej sytuacji (zostają uwięzieni w komorze rezonansu, co może kosztować ich życie). Tymczasem do miasta przyjeżdża ojciec Angeli (w tej roli Billy F. Gibbons z zespołu ZZ Top) , aby zemścić się na Hodginsie za skrzywdzenie jego córki. Mediatorem w tej sprawie zostaje Sweets. Stażystą tygodnia jest Vincent Nigel-Murray.

Booth i Bones badają sprawę zmiażdżonych szczątek kobiety, znalezionych w kartonach przeznaczonych do recyklingu. Lista podejrzanych rośnie coraz bardziej do czasu, gdy ekipa odkrywa, że maniaczka małżeństwa oprócz narzeczonego spotykała się jeszcze z chłopakami poznanymi przez serwis randkowy. Booth i Bones muszą przekazać Sweetsowi nowinę o tym, że widzieli jego dziewczynę – Daisy – przymierzającą suknię ślubną w towarzystwie innego mężczyzny.

Kiedy szkielet zostaje odkryty jako rekwizyt używany w trakcie występów grupy blackmetalowej z Norwegii, policjanci wzywają na pomoc FBI, które odkrywa tożsamość ofiary. Śledztwo jest prowadzone wśród zespołów metalowych, a ekipa dzięki temu dowiaduje się o zadziwiających preferencjach muzycznych Sweetsa. W międzyczasie powraca dr Wyatt i pomaga Sweetsowi w pracy nad jego książką, ukazując inną perspektywę spojrzenia na związek partnerów.

Kiedy kolega z egiptologii umiera, Brennan orientuje się, że ta śmierć nie była wynikiem wypadku. Bones namawia Bootha do kradzieży zwłok, by ona i Cam mogły zbadać ciało. Cam musi poradzić sobie z papierosowym problemem swojej adoptowanej córki.

W Waszyngtonie zostaje odnaleziona głowa Sachi Nakamury, siostry przyjaciela Bootha. Ken, detektyw z Tokio, przylatuje do Stanów, by pomóc w śledztwie. Wkrótce okazuje się, że współlokatorka Sachi także zniknęła.

Jimmy „Bóbr” Bouvier zostaje znaleziony martwy w kostiumie swojego kolegi maskotki. Booth i Bones prowadzą śledztwo, by odkryć czas śmierci chłopaka. Prawdopodobny motyw zabójstwa zostaje odkryty dzięki bractwu „Bobra”. W międzyczasie Booth oferuje bratu pomoc w znalezieniu nowej pracy po usunięciu z Armii.

Po podjęciu decyzji o posiadaniu dziecka Brennan zadziwia Bootha prośbą o to, by był jego ojcem. Booth nie może przestać o tym myśleć. Stres i wcześniej niezdiagnozowane problemy zdrowotne prowadzą do halucynacji – Booth zaczyna widywać Steviego z serialu Family Guy, który daje mu pewne rady. Okazuje się że Seeley ma guza mózgu wymagającego natychmiastowej interwencji chirurgicznej. Prosi Bones, aby była z nim podczas operacji. Przed wejściem na salę mówi Temperance, że jeśli się coś nie uda, ona ma użyć jego nasienia i urodzić dziecko.

W finale czwartej serii ukazana została historia Brennan i Bootha jako małżeństwa. Posiadają oni klub 'The LAB'. Właśnie tam zostaje znalezione ciało ofiary. Temperance nie jest antropologiem, Seeley nie jest agentem FBI. Wszyscy dotychczasowi bohaterowie otrzymali inne role w ich życiu. Po zakończeniu dochodzenia w sprawie morderstwa okazuje się że Brennan jest w ciąży. Wtedy Booth budzi się w szpitalu. Okazuje się, że po operacji zapadł w śpiączkę, a historia powstała w jego głowie, kiedy Bones czytała mu swoją nową książkę. Seeley cierpi na chwilową amnezję.