La notizia che Penny e Raj hanno passato la notte insieme crea scompiglio nel gruppo, facendo venire a galla anche la cotta segreta di Raj per Bernadette. Penny - decisa a tornare in Nebraska - cerca rifugio a casa di Amy per evitare Leonard e Sheldon cerca di riunire il gruppo attraverso una battagila di paintball.

Mentre Leonard e Priya - costretti a parlare con Skype - tentano di far funzionare il loro rapporto a distanza, Sheldon è turbato dalla presenza di una poltrona in casa di Penny che quest'ultima ha trovato per strada. Temendo la diffusione di germi Sheldon chiede aiuto ad Amy per convincere l'amica a gettarla.

Leonard acconsente ad accompagnare Amy ad un matrimonio poiché Sheldon è totalmente preso dal suo nuovo hobby dei trenini. Intanto Bernadette viene a sapere che Howard dopo il matrimonio vorrebbe vivere insieme alla madre, e dopo una prima reazione indignata accetta di stare a casa Wolowitz per un fine settimana di prova.

Mentre Sheldon decide di affidare tutte le sue decisioni al lancio dei dadi, Raj si rattrista perché è rimasto l'unico senza una compagnia femminile. Penny decide di aiutarlo facendole conoscere Emily, una ragazza sorda che risolve il suo problema nel rapportarsi con le donne, ma che Penny teme possa essere interessata solo per i soldi della famiglia dell'amico.

Sheldon si sente tradito quando Leonard accetta l'invito per una festa organizzata dal suo arcinemico, Wil Wheaton, ma cambierà subito idea quando saprà della presenza di Brent Spiner. Intanto la NASA offre ad Howard un lavoro nello spazio ma dovrà fare i conti con cosa ne penseranno Bernadette e la madre.

La madre di Sheldon, Mary Cooper arriva in città per il fine settimana ed il figlio si sente escluso quando questa sembra diventare la confidente del gruppo e decide di passare del tempo a visitare la città e non a partecipare a conferenze sul cosmo. Sheldon interpreta la sua reazione emotiva come il suo essere uguale a tutti gli altri e ciò lo porta a somatizzare il disagio in un raffreddore.

Sheldon vuole vendicarsi per tutti gli scherzi di Halloween che Leonard, Raj e Howard hanno organizzato ai suoi danni, ma fallisce in ogni suo maldestro tentativo. Intanto, nel negozio di Stuart, Leonard conosce Alice, una bella ragazza con la quale ha in comune la passione per i fumetti e comincia a dubitare della sua relazione a distanza con Priya.

Amy si sente ferita e tradita quando scopre che Penny e Bernadette sono andate a fare shopping in vista del matrimonio senza di lei. Sheldon non capisce perché la sua amica si senta triste e cerca di consolarla con le sue goffe maniere, arrabbiandosi con Leonard ed Howard ed intimandoli di tenere a bada le loro donne.

Sheldon ha a che fare con un uccello sul davanzale della sua finestra che non vuole andarsene, e considerata la sua fobia per i volatili decide di chiamare Amy e Bernadette quando questo accidentalmente entra nell'appartamento. Intanto Penny e Leonard decidono di uscire da soli come amici per la prima volta, non senza difficoltà e disagi.

Durante la settimanale visita al negozio di fumetti di Stuart, quest'ultimo chiede a Leonard se Amy sia single o se ci sia qualcosa con Sheldon. I due usciranno poi per un innocente appuntamento che però manderà Sheldon in confusione riempiendolo di gelosia e rendendo i suoi comportamenti irrazionali ed impulsivi, nonostante continui ad ammettere il contrario.

Jimmy Speckerman, il bullo che al liceo ha tormentato per anni Leonard, arriva in città con una proposta di lavoro ma viene costretto da Sheldon a porgere scuse ufficiali al suo amico. Intanto Penny si rende conto di aver preso parte al gruppo dei bulli quando andava a scuola ed Amy e Bernadette cercano di bilanciare convincendola a donare vestiti per i poveri.

Durante la cena mensile prevista dal contratto, Amy ha una notizia importante che potrebbe cambiare radicalmente la sua carriera alla quale però Sheldon non dà peso, scatenando le ire della ragazza, e nel tentativo di farsi perdonare, Penny lo convince a comprarle un gioiello. Intanto Howard scopre che Bernadette non va pazza per i bambini.

I sentimenti per Penny riprendono improvvisamente vita in Leonard, che le chiede di nuovo di uscire insieme ricominciando da capo e cercando di evitare gli stessi errori, ma le cose non vanno come previsto e i due si ritrovano a mentire ai loro amici.

Sheldon ed Amy decidono di creare un podcast sulle bandiere, mentre Howard si preoccupa per Raj che si prende una cotta per Siri, l'assistente vocale del suo nuovo iPhone. Intanto Penny e Leonard decidono di provare una "versione beta" della loro nuova relazione, riportando i "bug" che l'uno riscontra nell'altra e viceversa.

Leonard è esasperato dalle obbligazioni che comporta l'aver firmato il contratto sulla convivenza e amicizia con Sheldon e decide porvi fine diventando una semplice conoscenza per il suo coinquilino. Intanto Howard comunica al gruppo che presto affronterà l'esercitazione alla Nasa e discute con Raj sul suo possibile soprannome da astronauta.

Il presidente della facoltà, Siebert, ordina a Sheldon di prendersi la vacanza che non si è mai concesso, e lui riluttante decide di passare i giorni nel laboratorio di Amy. Intanto Bernadette confessa a Penny di voler far firmare ad Howard un accordo prematrimoniale per tutelare i suoi averi e presto il pettegolezzo arriva al diretto interessato.

Il professor Rothman va in pensione e Sheldon si trova in competizione con Kripke per aggiudicarsi l'ufficio vacante, optando poi per una sfida sportiva. Intanto Amy regala a Penny un enorme e raccapricciante dipinto che ritrae le due amiche.

Sheldon scopre che il suo barbiere di fiducia si trova in ospedale e che il mancato appuntamento sta mandando all'aria la sua tabella di marcia, spingendolo a vivere nel caos. Intanto Howard comincia l'addestramento per la NASA e si rende conto che la situazione è più ardua del previsto.

Leonard decide di organizzare una maratona Star Wars come ai vecchi tempi, ma Amy ricorda a Sheldon l'impegno preso da quest'ultimo per accompagnarla al compleanno della zia novantatreenne. Intanto Raj si sente fuori dal gruppo perché è l'unico rimasto senza una ragazza.

Per ripagare Sheldon e Leonard di tutti i pasti gratuiti, Penny decide di regalar loro un'edizione vintage del teletrasporto di Star Trek con cui giocare, ma quando Sheldon - sotto consiglio di Spock - inavvertitamente lo rompe, decide di scambiare le due confezioni. Intanto, stufo di essere solo, Raj chiede aiuto ai suoi genitori per un matrimonio combinato.

Howard viene contattato dall'ufficio di Stephen Hawking per permettergli di occuparsi dei miglioramenti d'ingegneria alla sua sedia elettrica. Quando Sheldon viene a saperlo chiede all'amico di consegnare allo scienziato una sua ricerca che considera rivoluzionaria, ma prima Wolowitz decide di vendicarsi di tutte le volte che Cooper ha sminuito il suo lavoro.

Durante l'addio al celibato di Howard un ubriaco Raj si lascia sfuggire segreti tenuti nascosti a Bernadette, ma quando Will Wheaton carica il video su internet la futura sposa viene a sapere dell'ambiguo passato del futuro marito e non si sente più sicura sull'imminente matrimonio.

Mentre Amy cerca di conquistare l'affetto di Sheldon rendendolo - suo malgrado - felice e Leonard fa una domanda fuori luogo a Penny in un momento decisamente inopportuno, Howard scopre con sollievo che la sua missione NASA è stata cancellata.