A quarta temporada começa na Inglaterra, com Booth falando na Scotland Yard e Brennan como convidada docente na prestigiada Universidade de Oxford. Sabendo da perícia de Booth e Brennan em seus respectivos campos, as autoridades locais pedem por sua ajuda com uma investigação de assassinato que envolve uma herdeira britânica.

Com o caso da herdeira resolvido, Booth e Brennan se preparam para voltar para casa, mas ficam chocados ao se deparar com outro crime - desta vez envolvendo alguém que eles conhecem. Enquanto isso, como Birimbau retornando inesperadamente para a vida de Angela, as coisas ficam complicadas entre ela e Hodgins.

O corpo do apresentador de um famoso reality show é encontrado parcialmente decomposto. Booth e Brennan precisam descobrir quem é o assassino. Enquanto isso, Booth descobre que Brennan está se desdobrando entre dois relacionamentos.

Parker, o filho de Booth, encontra o dedo de um cadáver em um ninho de pássaro, fazendo com que a equipe inicie uma investigação para tentar encontrar o resto do corpo. Após encontrar o cadáver, a equipe descobre que a morte foi causada por um cachorro, o que os leva até uma luta ilegal de cães em busca do animal assassino e seu dono.

As partes de um corpo desmembrado são encontrados em uma poça, com exceção da cabeça. A equipe descobre que se trata do cadáver de Jared Addison, um escrito de ficção-científica que teve diversos problemas mentais. Com a ajuda de Sweet, vários suspeitos são procurados, mas a equipe tem problemas para descobrir provas suficientes já que a cabeça da vítima continua desaparecida... isto é até eles recorrerem a ajuda de Zack.

Os restos mortais de uma gerente odiada são encontrados no poço do elevador. Booth e Brennan precisam descobrir qual funcionário matou a tal mulher. Após algumas investigações, eles descobrem que o gerente tinha queixas contundentes no arquivo. Enquanto isso, no laboratório, Angela e Hodgins tentam fazer as pazes.

Booth e Brennan saem para investigar um caso envolvendo um cadáver na Baía Chesapeake. Ao chegarem, eles encontram apenas o torso da vítima, dando a equipe pouco material para trabalhar. Eles só têm o que sobrou do implante no seio. Brennan e Booth são levados a uma pequena igreja em Maryland, onde descobrem que a vítima era um pastor. Quando a equipe encontra a parte inferior do corpo, eles descobrem que suas hipóteses iniciais podem estar corretas.

Quando um corpo é encontrado durante um treinamento da polícia, Booth e Brennan partem para a investigação. Um segundo corpo é encontrado, levando a equipe a uma série de equívocos à medida que procura o assassino ou assassinos. Enquando isso, Brennan sai com o irmão mais novo de Booth, Jared, que acabou de se mudar para a cidade para trabalhar no Pentágono.

O tranqüilo vôo de Brennan e Booth para a China, onde Brennan iria identificar restos mortais da era pré-histórica, é interrompido quando um corpo totalmente queimado é descoberto no microondas do tamanho industrial da aeronave. Com o uso de equipamentos de alta tecnologia, Brennan manda as provas para o Jeffersonian para serem analisadas. Pouco depois eles descobrem que a vítima era um escritor que estava escrevendo um texto polêmico sobre pilotos de companhias aéreas. A partir daí, Booth e Brennan precisam correr contra o tempo para solucionar o caso antes que o avião aterrisse e eles saiam de sua jurisdição.