Le projet de gyroscope de Leonard, Sheldon et Howard est à peine achevé que l'armée récupère toutes les données et leur interdit d'accéder à leur recherche. Sheldon déprime mais Amy a une nouvelle délicate à lui annoncer : elle a obtenu une bourse à Princeton et devra partir quelques mois. Raj déménage et Penny a du mal à cacher sa joie.
En se surmenant pour collaborer aux deux projets qu'il mène de front, Sheldon tombe malade et sous l'effet de médicaments, a un blackout sur une journée entière et perd des notes sur le projet de GPS top secret. Le congé maternité de Bernadette touche à sa fin et appréhende la séparation avec sa fille.
Leonard et Howard parviennent à finaliser leur prototype de GPS quantique mais Sheldon veut le perfectionner. Pour se débarrasser de leur ami, ils lui offrent une traversée du pays aux commandes d'une locomotive à vapeur. Penny et Amy décident d'offrir à Bernadette une virée entre filles, qui vire au fiasco.
Afin d'aider ses relations sociales, Sheldon accepte de tester une machine capable d'analyser les émotions humaines. Il va alors mieux comprendre certaines réactions de Penny et Leonard. Raj connait une nouvelle rupture et a une idée que tous trouvent stupides : organiser une réunion de ses ex-petites amies.
Le groupe d'amis se retrouve après les fêtes de fin d'année, qu'ils ont passé séparément : Sheldon et Amy ont passé Noël au Texas, chez la mère de Sheldon à qui ils ont annoncé qu'ils vivaient ensemble ; Penny et Leonard ont eu un Noël tendu ; Bernadette et Howard ont peu dormi à cause des premières nuits difficiles de leur bébé.
Maintenant que la cohabitation entre Sheldon et Amy semble durer, ils souhaitent redécorer et Sheldon commence à se réapproprier tout ce qu'il y a dans son ancien appartement au détriment de Leonard. Stuart s'arrange pour emménager dans la maison Wolowitz et se rendre indispensable pour Howard et Bernadette, un rôle dont Raj s'était déjà emparé.