Chuck Bartowski è un ragazzo di Burbank, in California, dove lavora come esperto di computer nel negozio di elettronica Buy More, insieme al suo migliore amico Morgan Grimes. Vive con la sorella Ellie e il cognato Devon "Capitan Fenomeno" Woodcomb, entrambi medici, che non perdono occasione per incoraggiare Chuck sia nella vita professionale che sentimentale.
All'inizio della prima stagione Chuck riceve una mail da Bryce Larkin, suo compagno all'Università di Stanford, che ora si rivela quindi agente della CIA. Quando apre la mail, l'intero database governativo contenente segreti militari, un supercomputer neurale chiamato Intersect, si installa nel suo cervello. Sia la Sicurezza Nazionale che la CIA inviano degli agenti, rispettivamente il maggiore John Casey e l'agente Sarah Walker, per recuperare i dati. Dal momento che le informazioni inviategli da Bryce sono state distrutte dal loro database originario, e poiché attraverso dei "flash" il database nel suo cervello si attiva automaticamente alla vista di volti, voci, parole chiave contenuti nei fascicoli segreti, Chuck è costretto ad aiutare il governo utilizzando le proprie conoscenze. Al fine di preservare la sua sicurezza, Chuck deve mantenere la sua occupazione al Buy More e tenere il tutto segreto sia alla sua famiglia che agli amici. Gli agenti Casey e Walker rimangono accanto a Chuck, con la copertura rispettivamente di collega al Buy More e fidanzata.
Con il prosieguo della serie si scopre che Bryce aveva inviato l'Intersect a Chuck per proteggerlo da alcune spie corrotte che volevano rubarlo. Tali ex spie della CIA hanno fondato una propria organizzazione chiamata Fulcrum, che la squadra di Chuck affronterà ed eliminerà nel corso della seconda stagione. Episodio dopo episodio il legame di fiducia e stima reciproca che unisce Chuck, Sarah e Casey si consolida e tra Sarah e Chuck inoltre nasce un feeling sentimentale che però sembra stentare a decollare.
Alla fine della seconda stagione, dopo aver eliminato il Fulcrum, Chuck si dota di un nuovo Intersect, ancora più potente, che il Governo stava costruendo per rimpiazzare il primo, andato distrutto. Il nuovo supercomputer era destinato a Bryce, ma quest'ultimo viene ucciso e allora anche questa volta sarà Chuck ad usufruirne. Con il nuovo Intersect Chuck impara anche le arti marziali e ad usare armi, diventando una "vera spia".
Nella terza stagione una nuova organizzazione sarà nemica del team Bartowski: L'Anello. Inoltre, al team Bartowski viene aggiunto un nuovo agente della CIA, Daniel Shaw, che si rivelerà però un doppiogiochista dell'organizzazione criminale. Nel frattempo Chuck e Sarah finalmente iniziano una reale storia d'amore, e dopo aver sconfitto l'agente Shaw e l'anello, promette alla sorella di lasciare la vita da spia. Ma nel finale una nuova misteriosa sorpresa aspetta Chuck, lasciatagli da suo padre, che apre un nuovo indefinito scenario davanti a lui.
All'inizio della quarta stagione Chuck tenta di iniziare una nuova vita cercandosi un nuovo lavoro, ma il generale Beckman lo costringe a ritornare al Buy More e riprendere il suo posto da agente della CIA. Nel frattempo con l'aiuto di Morgan, seguendo gli indizi lasciatigli dal padre, inizia la ricerca di sua madre, che sarà ben presto supportata da Sarah e Casey quando si scopre che è un'ex agente della CIA, ora membro di un'organizzazione criminale.