Chuck, un informaticien d'une vingtaine d'années, renferme, dans son cerveau, une base de données contenant des secrets gouvernementaux. Il est bientôt recruté par John Casey, un ancien agent de la NSA (Agence de Sécurité Nationale), pour travailler dans le monde de l'espionnage avec sa nouvelle partenaire, Sarah. Sa vie se partage dès lors entre sa passion pour les ordinateurs et ses missions secrètes de la NSA.