Als Computer-Freak Chuck Bartowski (Serienstar Zachary Levi) eine E-Mail öffnet, in der unsichtbar Staatsgeheimnisse einkodiert sind, lädt er ahnungslos einen kompletten Server voller geheimer Daten in sein Gehirn und wird unversehens in eine neue Laufbahn katapultiert: Er ist jetzt der wichtigste Geheimagent des Staates. Von nun an liegt das Schicksal der Welt ausgerechnet in den Händen eines Typs, der mit seinem Kumpel Morgan Grimes (Serienstar Joshua Gomez) in einem Elektronik-Supermarkt jobbt. Morgan wohnt mit seiner stets hilfsbereiten Schwester Ellie (Serienstar Sarah Lancaster) zusammen. Jetzt rückt Chuck nicht länger den Computerviren zu Leibe, sondern er jagt Profi-Killer und internationale Terroristen. Weil Chuck die bestgehüteten Staatsgeheimnisse in seinem Kopf gespeichert hat, übernimmt Major John Casey (Serienstar Adam Baldwin) von der National Security Agency die Verantwortung für seine Sicherheit. Sein Partnerin ist Sarah Walker (Serienstar Yvonne Strahovski), die Spitzenagentin der CIA - und sie ist die Frau, mit der Chuck nach etlichen Jahren erstmals ein Date hat. Sie alle versuchen Chuck zu schützen, indem sie sein Kuli-Etui durch eine kugelsichere Weste ersetzen.

Während Chuck sich an seine neue Existenz als Spion gewöhnt, kommt es zu immer größeren Spannungen zwischen den ihm zugeteilten Partnern Sarah und Casey. Ein Arzt scheint eine Lösung für Chucks Problem gefunden zu haben - als er ermordet wird, geben sich Casey und Sarah gegenseitig die Schuld. Beide Agenten versuchen Chuck ständig davon zu überzeugen, dass der andere für die Pannen verantwortlich ist. Letztlich muss Chuck entscheiden, wem er Vertrauen schenkt.

Chuck begreift langsam, dass eine derartige Doppelexistenz das Leben wahrlich nicht erleichtert. Als sein Boss im Supermarkt ihm die Hölle heiß macht, holt sich Chuck Unterstützung von Morgan und den Nerds, um zu beweisen, dass er durchaus das Zeug zum stellvertretenden Geschäftsführer hat. Gleichzeitig zwingen Sarah und Casey zu seinem ersten echten Einsatz als Undercover-Spion.

Chuck übernimmt eine ungewöhnliche Aufgabe, als Sarahs attraktive CIA-Kollegin um Hilfe bittet: Er bekommt heraus, dass ein millionenschwerer Diamant in einer Malibu-Villa zur Finanzierung von Terroristen dienen soll - jetzt muss er den beiden Schönen helfen, den Klunker zu stehlen. Gleichzeitig begreift Chuck, dass er die wahre Sarah kaum kennen lernen kann, weil sie ihr Doppelleben mit großer Präzision meistert. Und Morgan verlangt, dass Chuck ihn mit Sarahs Freundin verkuppelt.

Erstmals steht Spion Chuck vor einem moralischen Dilemma. Die Agenten Sarah und Casey verweigern ihre Unterstützung bei einem nicht autorisierten Einsatz eines chinesischen Top-Agenten in Chinatown - was Chuck eine Entscheidung abverlangt: Entweder hält er sich an die Regeln, die der Staat und seine Freunde vorgeben, oder er folgt seinem eigenen Gewissen. Gleichzeitig steht auch Morgan am Scheideweg: Im Geschäft wird er zu einem Verkaufsquotenwettbewerb gezwungen, der ihn seinen Job kosten könnte.

Chuck lernt einen Agentenkollegen kennen, der wie er ein Doppelleben führt: Er ist ein Technik-Spezi, dessen Gehirn genau wie Chucks die höchste Sicherheitsstufe erfordert und gleichzeitig eine große Gefahr darstellt. Chuck muss entscheiden, ob er den Agenten an Sarah und Casey ausliefert oder ihm zur Flucht verhilft. Chuck und Morgan feiern Halloween immer ganz groß, doch in diesem Jahr läuft alles etwas anders, denn Morgan hat den Eindruck, dass Chuck ihre Jugendtradition und ihre Freundschaft vernachlässigt.