Eureka se prepara para la gran fiesta de aniversario de la fundación de la ciudad. Henry repara el coche del fundador, a lo que le ayudará una nueva amiga llamada Grace. Allison, por su parte, se encarga de un adolescente autista.

Tras regresar a la ciudad desde el pasado, Carter se sorprende al encontrar a Tess en casa aún enamorada de él y con Kevin capaz de hablar y de valerse por sí mismo. Jo no tiene la misma suerte; Zane no quiere saber nada de ella. Henry, por su parte, es el alcalde de Eureka.

Fargo lidia con su nueva reputación como tirano, así como con la presión de responder ante el general Mansfield, que pide progresos en un proyecto de armas no letales. Él y Jo se dirigen al laboratorio para hacer un informe cuando se enteran de la existencia de un dispositivo para disparar por Internet. De repente, el dispositivo ataca a Fargo. Carter pone en marcha una investigación para descubrir quién ha sido el responsable y todas las pistas apuntan al doctor Parrish.

La semana del espacio empieza en Eureka y con ella la carrera de cohetes para la que todos están preparados. Antes del pistoletazo de salida el General Mansfield da parte de un nuevo tipo de oxígeno líquido, llamado TAP, que servirá para la colonización de Marte. La competición comienza con éxito, pero pronto Zane da el aviso de que hay un error en el vuelo del crucero espacial. Mientras ella le echa la culpa a un mal funcionamiento del aparato, el General pide que sea apartada del control y que se abra una investigación al respecto. Tras el fallo, Allison se encarga de revisar las operaciones realizadas sin detectar nada extraño, sin embargo, Henry descubre que el tanque de gasolina del crucero está vacío. Durante la investigación alertan que alguien ha usado el TAP, un oxígeno que una vez liberado comienza a extenderse poniendo, de esta manera, la ciudad en peligro. Averiguar quién ha sido el responsable del robó se convierte en algo secundario cuando la ciudad de Eureka puede desaparecer tras una explosión.

Un gran dolor hace que Jo vaya rápidamente a General Dynamics, donde tras ser observada descubren que su malestar proviene del impacto de una bala en el pecho, sin embargo, nadie sabe como ha podido llegar hasta allí. Tras la extracción, Jo analiza la bala descubriendo que se trata de un diseño de 1950. Es entonces cuando Carter pone sobre la mesa la posibilidad de realizar una teletransportación para llegar a la resolución de la cuestión. Para preparar el plan, Carter va al Café Diem, donde de repente un gran resplandor ilumina el cielo, un hecho que lleva a Carter a desalojar el local en el mismo momento en que una avioneta de 1940 impacta en la pared. Mientras, Claudia Donovan, una investigadora oficial de la Warehouse 13, advierte que todos los objetos que rodean la ciudad de Eureka proceden de otra era, pudiendo ser atraídos por un agujero de gusano, creado por la acumulación de partículas que hacen de imán. Esta hipótesis les conduce hasta Grant, llegando a la conclusión que las moléculas de su cuerpo son las responsables de atraer a los objetos. Si no consiguen destruir el campo de imantación la ciudad puede ser destruida y él puede llegar a morir.

El amor envuelve Eureka cuando SARAH, el sistema de inteligencia artificial de la casa de Carter decide quitarle a EMO un programa para enamorar a Andy. El nuevo software que incluye emociones humanas infecta a todos los sistemas de inteligencia artificial de la ciudad. La única solución posible es desactivar todos los aparatos hasta que Zane limpie los códigos de sus respectivos programas. El problema es que uno de los sistemas, Tiny, no puede ser cerrado ya que es el vehículo de comunicación entre Eureka y la NASA. Sin embargo, Tiny se ha infectado, hasta el punto que cree ser la madre de EMO y decide romper la vía de transporte para traer de vuelta a su hijo.

Carter se prepara para su cita con Allison cuando Zoe se da cuenta de que se ha dejado el teléfono en la excavación, con lo que se dirigen los dos allí para recuperarlo. En vez de encontrar el dispositivo, se encuentran con Derek convertido en piedra y aún vivo.

Grace y Henry dan una fiesta para celebrar su unión. Ella ha preparado una terapia que les permita compartir sus recuerdos y reconstruir su relación. Grant llega tarde, puesto que viene de hacer una visita a Beverly Barlowe, quien ha esperado décadas para pedirle ayuda.

La búsqueda del dispositivo DED continúa. En Global Dynamics, Henry descubre una anormalidad en el hecho de que haya un área que no emita radiación, es algo totalmente imposible. Mientras él y Allison rastrean la fuente, Zane dice a los demás que cree que Grant está detrás del robo. Jo busca el archivo original de Grant de 1947 y encuentra varias cosas interesantes junto a Carter. Además de una grabación que hizo Grant sobre Carter, hay un informe policial sobre el arresto del padre de Beverly después de que robase los planos del dispositivo del puente. Carter se da cuenta de que, si Beverly está involucrada, Allison y Henry están en peligro.

Los planes de Zoe y de Carter de volver a casa por vacaciones son interrumpidos en la frontera de Eureka, donde descubren que el campo electromagnético que rodea la ciudad está dañado. Mientras tanto, en la fiesta navideña de Global Dynamics, todo el mundo se pregunta la identidad del Santa secreto de Eureka. Los asistentes, se alarman al descubrir que la longitud de sus brazos se ha acortado considerablemente, hecho que coincide con la aparición de un hombre enfundado en un traje rojo. Este episodio es un especial navideño que pone fin a la cuarta temporada de la serie de ciencia ficción.

Carter se encuentra en una situación incómoda después de que el matrimonio de S.A.R.A.H. y Andy se vea obstaculizado; Zane sigue acosando a Jo por detalles; un lanzamiento no programado presenta problemas para el grupo.

Cuando los habitantes de Eureka comienzan a comportarse de manera extraña, Carter recorre la ciudad en busca de una causa, sin sospechar que Allison, a kilómetros de casa, es quien está enfrentando un peligro real.

Carter y Jo prueban el nuevo sistema de evaluación de riesgos de alta potencia de Zane, pero descubren que incluso este puede no ser suficiente para hacer frente al peligroso nivel de competencia entre los científicos de Eureka.

Carter debe resolver un robo bancario único en Eureka antes de que la ciudad se aleje flotando, mientras Allison lidia con episodios inquietantes de tiempo perdido.

El peligro predicho que representa Allison se materializa cuando es sometida a control mental para robar los secretos de Eureka.

Cuando los microbots que ensamblan la nave espacial Titán terminan su tarea, deciden embarcarse en un nuevo proyecto y proceden a devorar a Eureka en el proceso. Aislado para una evaluación de misión, el equipo de Titán no puede determinar si la catástrofe de los microbots es real o solo parte de la prueba.

Preparations for the Titan mission have the unintended consequence of turning the local Eureka environment into Titan's. Meanwhile, Eureka couples struggle to come to terms with each other and the DoD sends an investigator to evaluate Jack and Allison's relationship.

Mientras los candidatos de Astraeus se someten a las últimas entrevistas, Carter y Allison apelan los resultados de su auditoría de relación mientras tratan de mantener bajo control los incidentes que se están intensificando en la ciudad.

Grace abraza un honor que tensa su relación con Henry mientras que el diputado Andy se convierte en un conejillo de indias accidental para la misión Astraeus, con resultados catastróficos.

Horas antes del lanzamiento de la misión Titán, Eureka lucha con agujeros negros y, habiendo decidido quién se quedará y quién se irá, despedidas.

El sheriff Carter y Allison Blake están planeando en secreto la sorpresa perfecta para sus hijos durante las vacaciones, pero una misteriosa ola de colores caleidoscópicos se estrella sobre Eureka, dejando a toda la ciudad y sus habitantes animados.