Senza il supporto dell'intersetto nel cervello di Chuck e della CIA, la nuova squadra di spie freelance si ritrova in difficoltà. Nel frattempo Morgan aiuta Chuck a scegliere un regalo per Sarah, mentre al Buy More Jeff e Lester riorganizzano tutto.

Morgan continua a fare fatica ad abiutarsi all'intersect, e Chuck continua a fare fatica ad addestrarlo. Nel frattempo il Buy More sfrutta un portavoce inaspettato per farsi pubblicità, mentre la squadra si mette in cerca di una persona scomparsa.

La squadra viene incaricata di trovare uno dei criminali più ricercati dalla CIA. Nel frattempo Casey cerca di scoprire da vicino la vita e il lavoro di Gertrude, mentre Devon si trova in difficoltà con la sua nuova vita di padre, un po' troppo noiosa per i suoi gusti.

Chuck e Sarah partecipano sotto copertura ad una convention del Buy More per catturare un pericoloso assassino in cerca dell'Intersect. Nel frattempo al Buy More Jeff inizia a rivelare aspetti inusuali e inaspettati del suo carattere.

Chuck e Sarah cercano un modo per tirare Casey fuori di prigione. Ad aiutarli c'è anche Gertrude, che non nasconde i suoi sentimenti per la spia. Nel frattempo Jeff cerca di convincere Lester a tornare a lavorare al Buy More.

Chuck diventa l'uomo più ricercato dalla CIA perché in possesso di un pericolosissimo virus. Un gruppo di agenti dell'agenzia arresta per sbaglio Devon e Ellie, decidendo poi di usarli come ostaggi per costringere Chuck a consegnare il virus.

Sarah viene rapita da una vecchia conoscenza, Daniel Shaw. L'uomo, appena uscito di prigione, è deciso a volersi vendicare contro Chuck e la sua squadra. Chuck cerca di fermarlo con l'aiuto di Casey, Morgan e della coppia Jeff-Lester.

Sarah si ritrova a fare un tuffo nel passato quando il suo vecchio mentore la ricontatta con una richiesta. Chuck capisce che qualcosa non quadra e cerca di saperne di più, ma Sarah è decisa a non rivelare alcuni segreti del proprio passato.

Gertrude torna in città e assolda la squadra per una missione. John non ne vuole sapere di lavorare per lei, ma viene costretto a partecipare. Nel frattempo Jeff e Lester iniziano a sospettare che Sarah, John e Chuck abbiano qualcosa da nascondere.

Morgan scopre qualcosa del suo passato durante il suo periodo con l'intersect, ma non riesce a ricordare i dettagli degli eventi accaduti. Nel frattempo Jeff e Lester non demordono e continuano a cercare la verità dietro a Chuck e il resto della squadra.

Una missione in Giappone prende una piega inaspettata quando dei membri della squadra vengono presi in ostaggio. Chuck e Sarah devono cercare di fermare un criminale internazionale, mentre John deve prendere una decisione difficile.

Dopo una missione difficile, Sarah torna a casa nascondendo a Chuck un grande segreto. Nel frattempo Ellie e Awesome si ritrovano di fronte a una grande opportunità che potrebbe cambiare per sempre le loro vite.