Ora che è diventato un Intersect più evoluto, Chuck vuole diventare una vera spia. Le cose però non vanno per il meglio, soprattutto quando viene espulso dall'addestramento per spie e dopo aver perso anche Sarah. Morgan decide quindi di tornare per aiutare il suo amico a dimenticare la ragazza.

Chuck riceve una nuova missione quando la migliore amica di Sarah, Carina, arriva in città con il suo fidanzato Karl. La situazione peggiora quando Chuck cerca di risolvere i suoi problemi sentimentali proprio durante la missione. Intanto, Morgan cerca di dimostrare a Jeff e Lester il suo successo con le donne.

Chuck deve usare il suo rapporto di parentela con Awesome per portare a termine una missione, cioè proteggere un dittatore in visita negli Stati Uniti che è obiettivo di un attentato. Mentre Awesome è eccitato dalla possibilità di diventare una spia, Chuck è più preoccupato per la sicurezza di suo cognato e sua sorella.

Quando Awesome viene scambiato per una vera spia dalla perfida Sydney Price, Chuck deve diventare il suo mentore e spiegargli tutte le basi per diventare una vera spia. Mentre i due si trovano in missione, incontrano il misterioso Daniel Shaw. Nel frattempo, Morgan viene promosso ad assistente manager.

L'agente speciale della CIA Daniel Shaw assegna a Chuck la sua prima missione da solo, a Parigi, ignorando il parere di Sarah e Casey. Sul volo verso la Francia, Chuck fa amicizia con una ragazza di nome Hannah. Nel frattempo, Casey aiuta Morgan a combattere contro Jeff e Lester per il controllo del Buy More.

Chuck deve ancora una volta cercare di bilanciare le sue due vite, quando al Buy More arrivano una nuova Nerd Herder da seguire, Hannah, e anche come spia Chuck deve gestire una nuova risorsa. Sarah e Casey però pensano che non ce la possa fare da solo e vogliono intervenire.

Chuck e Hannah diventano inaspettatamente parte della nuova missione di Daniel Shaw. Inoltre, Sarah viene messa in coppia con l'agente della CIA, che sembra volersi avvicinare sempre di più a lei. Intanto, Morgan e Ellie continuano nel loro tentativo di scoprire che cosa ci sia alla base dello strano comportamento di Chuck.

Chuck promette di cucinare una cena per Hannah, Ellie e Awesome. Prima però, nell'ultima missione che gli viene assegnata, deve prendere l'identità del killer più spietato del mondo. Nel frattempo Sarah è sempre più determinata a mantenere la sua relazione con Shaw strettamente professionale.

Chuck sente che la sua vita sta diventando inutile visto che non riesce più ad avere i flash e che, per questo motivo, non viene preso in considerazione per le missioni. Tuttavia, mentre Sarah, Casey e Shaw vanno avanti per conto loro, Chuck si trova a dover gestire una situazione complicata alla base.

Casey deve condurre una missione parallela per fare un favore a un suo vecchio superiore, James Keller, che però lo costringe a commettere tradimento. Quando però Chuck viene a conoscenza della verità sul conto di James Keller, lui e Sarah si impegnano a liberare Casey di prigione e scagionarlo da qualsiasi accusa.

Chuck scopre che la sua nuova missione sarà il test finale per capire se è finalmente pronto per essere una spia a tutti gli effetti, quindi dovrà mettere in pratica tutto ciò che ha imparato per non dover tornare alla vecchia routine in cui è controllato passo passo da Sarah e Shaw.

Chuck ha la possibilità di scegliere tra i migliori agenti della CIA per affiancarlo nella sua missione sotto copertura a Roma, ma lui ha in mente solamente Sarah. Allora Casey, Morgan e Awesome decidono di unire le forze per aiutarlo a riconquistarla.

Shaw e Sarah tornano a fare coppia per cercare di scoprire il responsabile, appartenente all'Anello, dell'uccisione della moglie di Shaw. Tuttavia, Chuck non è del tutto convinto che l'agente possa reggere la missione dal punto di vista emotivo.

Mentre si trovano in Europa, Chuck e Sarah si rendono conto che sul treno sul quale stanno viaggiando ci sono anche spie nemiche. Nonostante siano soli, i due decidono di affrontarli. Appresa la notizia, il Generale Beckman decide, controvoglia, di inviare Casey e Morgan sulle loro tracce.

Chuck e Sarah vengono assegnati all'addestramento sotto la supervisione di due altri agenti, sposati e che, nonostante le loro performance, si odiano a vicenda. I due si chiedono quindi se anche loro sono destinati a finire così. Nel frattempo, Casey deve addestrare Morgan, il nuovo membro del loro team.

Chuck deve fare i conti con i sogni che lo tormentano, l'ultimo dei quali predice un pericolo proveniente dalla visita di un capo di stato straniero. Il Generale Beckman però non è del tutto convinto e decide di mandarlo a parlare con uno psicologo. Intanto, al Buy More torna una vecchia conoscenza di Morgan,

Dopo il suo ultimo sogno, Chuck chiede a Morgan di aiutarlo a portare a termine una missione parallela. Ma le loro indagini diventano ancora più complicate quando si rifa vivo il padre di Chuck che, però, potrebbe anche dar loro una mano.

Mentre Steve lavora al Governatore, il dispositivo che permetterà a suo figlio di controllare gli effetti collaterali dell'Intersect, Chuck è sempre più convinto che Shaw sia vivo, soprattutto dopo averlo visto in metropolitana. Intanto, Devon dice a Ellie che sospetta che lei lo stia tradendo.