NSA e CIA sono pronte a ricreare l'intersect, Chuck quindi presto non servirà più alle agenzie federali. Come ultima missione però, Chuck, insieme a Casey e Sarah, deve proprio recuperare il componente che serve per attivare il nuovo intersect, rubato da Mister Colt.

Chuck, Casey e Sarah devono recuperare il cifrario, in possesso dell'ex spia del KGB Sasha Banacheck. Per avvicinarla Chuck dovrà sedurla, per questo si avvale dei consigli di Roan Montgomery, ex-agente della CIA, ritenuto un grande esperto nell'arte della seduzione.

Bryce Larkin ritorna in città con nuove informazioni per Chuck, ma crea scompiglio nella fragile relazione tra Sarah e Chuck. Il gruppo con la partecipazione di Bryce viene incaricato di recuperare un microchip.

Mentre è con Chuck, Sarah incontra due suoi ex compagni di scuola che la invitano al ritrovo del decennale della loro classe. Al ritrovo Chuck ha dei flash su alcuni uomini della Mafia Russa e, in un suo discorso, cerca di farlo notare a Casey e Sarah.

Ellie si accorge che c'è qualcosa che non va nel fratello e cerca di scoprirne il motivo. La situazione si fa più complicata a seguito della nuova missione: scoprire il motivo della ricerca di Jeff da parte di un terrorista e Chuck è costretto a socializzare con lui.

Durante una missione di lavoro Chuck incontra, Jill, la sua ex-fidanzata della Stanford che lo tradì con Bryce. Per avvicinarsi al suo capo di lavoro, su cui Chuck ha un flash deve uscire con lei e fingersi ricco.

L'obiettivo della missione è l'acquisizione di una lista degli agenti della Fulcrum posseduta dall'ex capo della nuova ragazza di Chuck, ma la squadra deve risolvere una serie di indovinelli per entrarne in possesso.

Il gruppo scopre che l'ex fidanzata di Chuck fa parte della Fulcrum, pertanto, a quest'ultimo viene ordinato di usarla per infiltrarsi all'interno dell'organizzazione. Nel frattempo Ellie si prepara a ricevere i genitori di Capitan Fenomeno per il Giorno del Ringraziamento.

Il matrimonio di Ellie e Devon si avvicina mentre il Team Bartowski deve cercare di fermare una vecchia conoscenza di Casey.

Il padre di Sarah torna in città e si mette in contatto con la figlia. Lei e Chuck, per realizzare la loro missione, gli fanno credere che sono dei truffatori.

È la vigilia di Natale e mentre Big Mike e Emmett sono agitati per il giorno con più vendite dell'anno, un criminale mentre viene inseguito si va a schiantare dentro al Buy More e prende in ostaggio i dipendenti, oltre a Sarah, Ellie e Devon.

Chuck ha il compito di proteggere la rockstar Tyler Martin, ma è ancora angosciato per aver visto Sarah uccidere un uomo a sangue freddo.

Il Generale Beckman manda Chuck, Sarah e Casey in un sobborgo di Los Angeles per una missione sotto copertura, con Chuck e Sarah come una coppia sposata. Nel frattempo, Big Mike viene iscritto in un sito per incontri da Morgan, Lester e Jeff al Buy More.

Anna e Morgan sono in crisi e lei inizia a frequentare un venditore di automobili usate.

Chuck, su consiglio della sorella Ellie, decide di lasciare Sarah, poiché si convince che la loro relazione non potrà mai essere reale. Alla prima missione però dimostrerà essere geloso come al solito quando Sarah dovrà sedurre Cole, un affascinante agente segreto inglese.

Morgan pianifica con Chuck di andare a vivere insieme, ma quando Anna sente per caso Morgan parlare di un appartamento crede che il suo ragazzo vuole offrirle di andare a vivere con lui.

Chuck è in cerca di Orion, desideroso di togliere dalla sua testa l'Intersect. Tuttavia, sarà proprio Orion a contattarlo tramite uno dei computer del Buy More.

ll Generale Beckman sospetta che i sentimenti tra Chuck e Sarah possano essere un ostacolo nelle missioni della squadra, così decide di attuare una procedura detta 49-b. Sarah sarà quindi supervisionata momentaneamente dall'agente Alex Forrest, che valuterà il suo comportamento e deciderà se dovrà essere sostituita.

Orion, che tutti credevano morto, si ripresenta da Chuck, rivelando la sua vera identità.

Il Generale Beckman ordina a Casey di arrestare Chuck e Sarah, dopo averlo promosso a colonnello. Chuck e Sarah intanto, sulle tracce di Orion, sono sempre più uniti, mentre al Buy More Morgan viene emarginato, per aver appoggiato Emmett.

È il giorno del matrimonio di Ellie, ma a rovinare tutto ci penserà il leader della Fulcrum, Ted Roark, che minaccia di ucciderla.