故事发生在虚构的城市——哥谭。布鲁斯目睹父母被杀，警探戈登和哈维调查该案件。调查过程中，发现这个城市被幕后势力控制，戈登和哈维陆续破获了议员被杀案、新型毒品案，少女遇害案等，最终幕后势力陷入混战。

莱纳德和佩妮分手后，决定继续做普通朋友。与此同时，经过几个月的短信交流，谢尔顿终于决定和神经生物学家艾米约会，这可是他人生中的首次约会。和他堪称绝配的艾米，最终是否能成为他的女朋友？佩妮对“谢米恋”大感兴趣，却发现自己成了尴尬的电灯泡。

莱纳德、谢尔顿、霍华德和拉杰什他们四人从为期三个月的北极圈科学考察中归来，佩妮终于对莱纳德展露了感情。同时，谢尔顿得知自己在北极中取得的重大科学发现原来是莱纳德他们三个的恶作剧，一气之下他跑回老家。三个好友只得追到德克萨斯州，把谢尔顿带回家。

莱纳德和谢尔顿是一对室友，他们共同的好友霍华德和拉杰什跟他们一样，是任职于同一所大学的天才科学家，他们都是不折不扣的Geek——智商超群，情商奇低；热爱电玩与漫画，不善与人交流，更不用说与异性相处；他们凡事用科学解决，因此引发不少笑话。美女邻居佩妮的出现，让他们的生活产生了全新的变化。宅男科学家与美女侍应生的碰撞，有了奇妙的化学反应。暗恋佩妮已久的莱纳德终于获得了与她约会的机会，霍华德、拉杰什和谢尔顿帮助他科学分析约会成绩。在科学家们的精确计算下，莱纳德能否抱得美人归？

德雷克开始主管H分局的各种犯罪案件，警局迎来了新的面貌与各种先进设备。这天，警局接到了一起新案件，西码头冲上来一具印度男尸。为了进一步展开调查，德雷克找到了杰克逊帮忙尸检。骑兵少校卡迪尔接待了德雷克，两人一同回到警署确认被害者的身份，卡迪尔表明被害者正是自己的儿子萨义德。另一边，里德已经带着女儿玛蒂尔达搬到了新地方开始自己的生活，尽管他再三叮嘱玛蒂尔达，但玛蒂尔达还是会背着他悄悄去白教堂。戈伦女士找到里德，表示艾萨克很有可能不是杀人凶手，里德听说后始终放不下心，终究还是回了白教堂一趟。杰克逊事实上和苏珊秘密策划如何逃脱绞刑，和监狱职员里应外合骗过众人后假死。最终，苏珊免于绞死，里德也因始终放不下心重新回归H分局。里德、德里克和杰克逊三人组再次出山，联手将一桩桩悬疑的案件解开，恢复白教堂区的安宁。