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Morgan est devenu le nouvel Intersecret, mais a du mal à l'utiliser. En parallèle, Chuck cherche la maison de rêve pour Sarah, cependant lors d'une mission avec leur affaire solo, Chuck voit tous ses comptes gelés par la CIA, qui tente de faire échouer Chuck.

Karl Sneijder, un PDG d'une société spécialisée dans les diamants, fait appel à Chuck et Sarah pour secourir son jeune frère, Wesley, kidnappé par des ennemis de l'organisation Carmichael.

À cause de l’Intersecret, Morgan est perturbé et ne s'aperçoit pas des changements s'opérant en lui. Il fait également de mauvais choix en allant travailler pour la Verbanski Corp. Lorsque Chuck réalise la situation, il met tout en œuvre pour sauver son meilleur ami…

Lors d'un séminaire, Chuck se fait passer pour Morgan afin d'attraper un assassin qui souhaite éliminer Morgan…

L'équipe doit se tourner vers Verbanski afin de dépister un dangereux virus, forçant Casey à la confronter de nouveau. Entretemps, la relation entre Lester et Jeff est menacée par l'arrivée d'un nouvel employé au Buy More.

Verbansky a tué Decker tandis que Casey s'est évadé de prison grâce à l'aide de Morgan. Verbansky et l'équipe sont recherchés par la CIA pour meurtre.

Daniel Shaw, ancien partenaire de l'équipe Bartowski et ex de Sarah, s'évade de prison. Il décide alors d'enlever Sarah pour l'échanger contre le nouvel Intersecret 3.0…

Sarah part en mission en Hongrie et ne veut pas révéler les détails de celle-ci à ses partenaires, ni même à Chuck.

Gertrude Verbanski vient demander de l'aide auprès d'Industries Carmichael pour une mission à Miami. Lors de celle-ci, Chuck et Sarah réalisent vraiment la vie dangereuse qu'ils mènent et décident de trouver une solution moins néfaste à leur existence.

Sarah est déterminée et souhaite arrêter sa carrière d'espionne et en parle à Chuck. Chuck, ne souhaitant que leur bonheur, accepte. Cependant, Bo Derek vient les solliciter pour une dernière mission.

Sarah a téléchargé l’Intersecret dans sa mémoire pour échapper à un guet-apens. Avec l'aide de Casey, elle sauve Chuck. Cependant, l’Intersecret commence à attaquer son cerveau et Ellie cherche un moyen de la sauver. Pendant ce temps, Jeff et Lester sauvent le « capitaine Trop Top », Morgan et Alex. Ils apprennent ainsi le véritable métier de leurs collègues. Plus tard, Quinn réussit à kidnapper Sarah et lui efface l'intégralité de sa mémoire. Il décide alors de l'assigner à une mission : « Tuer Chuck ».

Sarah, obéissant à Quinn, arrive à télécharger l’Intersecret dans ses lunettes et prend la fuite en verrouillant la porte après avoir placé une bombe sur la porte. Cependant, Sarah hésite et ne veut pas appuyer sur le bouton pour faire exploser la salle, mais Quinn a le vrai bouton et déclenche la bombe. Néanmoins, ce que Quinn et Sarah ne savent pas, c'est que Chuck a eu le temps d'échanger les lunettes avec des fausses sans données. Sarah promet alors à Quinn de tout faire pour récupérer les lunettes. Après avoir élaboré un nouveau plan, elle contacte Ellie pour l'inviter à prendre un café avec elle afin de parler. De son côté, Ellie ne sachant pas que Sarah n'est plus ce qu'elle était, accepte. Lorsque Chuck le découvre, il appelle Ellie pour la prévenir, mais c'est Sarah qui décroche. Elle lui demande de venir lui apporter les lunettes, sinon elle tuera Ellie…

Chuck fait appel à sa famille, ses amis et quelques alliés inattendus pour l’aider à arrêter Nicholas Quinn qui tente de détruire tout ce que Chuck a construit au cours des cinq dernières années.