Pasadena, California. Quattro giovani scienziati di diversi campi – il fisico sperimentale Leonard Hofstadter, il fisico teorico Sheldon Cooper, l'astrofisico Rajesh Koothrappali e l'ingegnere aerospaziale Howard Wolowitz – lavorano insieme al California Institute of Technology. Questi fanno amicizia con Penny, una bella ragazza di provincia col sogno di diventare attrice, venuta a vivere nell'appartamento di fronte a quello condiviso da Leonard e Sheldon.
Il gruppo deve affrontare le conseguenze del finale della stagione precedente. Penny teme di aver rovinato tutto con i suoi amici; intanto Sheldon prende il comando della squadra di paintball.
Durante il periodo di Halloween Sheldon decide di voler spaventare i suoi amici. Leonard intanto si ritrova coinvolto con ragazza appassionata di fumetti.
Leonard viene contattato su Facebook da un compagno di scuola del suo passato che non faceva altro che seviziarlo. Riluttante accetta di incontrarlo e scopre che il tizio lo ha contattato per avere una mano in un folle progetto finanziario. Mentre si trova con le sue amiche, Penny si rende conto di non essere stata una brava compagna di classe e cerca un modo per rimediare ai suoi errori.
Amy rimane delusa quando Sheldon non si congratula sinceramente con lei per un risultato conseguito. Howard scopre che Bernadette ha un'avversione per i bambini.
Spinto dall'emotività del momento, Leonard chiede a Penny di uscire di nuovo insieme. Sheldon è deluso dopo aver ricevuto un gadget di Star Trek ordinato online.
Leonard e Penny scrivono una lista di difetti della loro relazione con l'intento di fortificarla. Sheldon e Amy creano una web series su Youtube chiamata Fun with Flags e Raj sviluppa un'ossessione per Siri sul suo iPhone.
Leonard non ce la fa' più a sopportare l'egoismo di Sheldon e decide di dissolvere il contratto tra loro due. Howard vorrebbe avere un soprannome fico per quando diventerà astronauta.
Sheldon è costretto a usare i suoi giorni di festa e decide di passare il tempo libero nel laboratorio di Amy. Bernadette confida alle ragazze che suo padre vuole far firmare a Howard un accordo prematrimoniale.
All'università si rende disponibile un nuovo ufficio e Sheldon si sfida con Kripke per aggiudicarselo. I due decidono di risolvere la questione giocando a basket. Amy regala un quadro inquietante a Penny.
Sheldon è costretto ad alterare la sua routine quando il suo barbiere si ammala. Nel frattempo il training per diventare astronauta è più duro del previsto e Howard si chiede se ha la stoffa per farcela.
Sheldon fa arrabbiare Amy quando preferisce trascorrere un weekend con i suoi amici e videogames piuttosto che andare alla festa di compleanno di sua zia.
Penny regala due rari teletrasporti giocattolo di Star Trek a Sheldon e Leonard. Convinto dall'apparizione del signor Spock in sogno, Sheldon apre il suo, lo rompe e lo sostituisce di nascosto con quello di Leonard.
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