Après des mois passés à retisser les liens entre la Fédération et des mondes lointains, le capitaine Michael Burnham et l'équipage du Discovery sont envoyés pour aider une station spatiale endommagée et découvrent une nouvelle menace terrifiante.

Saru revient pour aider l'USS Discovery à découvrir le mystère d'une nouvelle force exceptionnellement dévastatrice. Burnham dirige l'équipage, et doit en même temps aider Book à supporter une perte inimaginable.

Burnham et Tilly pourchassent le tueur d'un officier de la Starfleet, et Stamets et l'équipe scientifique mènent une course contre la montre pour empêcher qu'une anomalie ne tue tout le monde.

Tilly et Adira mènent une équipe de cadets de la Starfleet Academy en une mission d'entraînement qui prend une tournure dangereuse. Entretemps, Burnham doit mener de dures négociations sur Ni'Var.

Burnham et Book tentent d'évacuer un groupe de colons bloqués sur la trajectoire de l'anomalie, alors qu'un des plus brillants scientifiques de la Fédération vient à bord du Discovery pour effectuer des recherches de haut niveau avec Saru et Stamets.

Afin de trouver des réponses, le USS Discovery se lance dans une brèche subspatiale créée par l'Anomalie à Matière Noire. Entretemps, Book est confronté à un étrange visiteur de son passé.

Les tensions montent quand des représentants venus des quatre coins de la galaxie se réunissent pour faire face à la menace posée par l'Anomalie à Matière Noire. La nouvelle sentience de Zora soulève des questions délicates.

À la recherche de Book, le capitaine Burnham suit son intuition jusqu'à un ancien lieu de prédilection de l'époque où ils étaient coursiers, et se retrouve entraînée dans une lutte pour le contrôle d'une arme puissante.

Le capitaine Burnham et le USS Discovery foncent pour empêcher Book et Ruon Tarka de déclencher un plan clandestin qui risque de mettre involontairement en danger l'ensemble de la galaxie.

Le capitaine Burnham et son équipage doivent aller là où rares sont ceux qui y sont allés auparavant : au-delà de la Barrière galactique. Entretemps, Book apprend la vérité sur ce qui motive Ruon Tarka.

Pendant que le capitaine Burnham mène une mission sur une planète qui abritait autrefois les extraterrestres responsables de l'AMN, Book et Tarka infiltrent secrètement l'USS Discovery.

Alors que l'AMN s'approche de la Terre et de Ni'Var, Burnham et l'équipage du Discovery tentent d'établir le contact avec la puissante espèce responsable avant qu'il ne soit trop tard.

Dans le final de la saison 4, l'AMN s'approche de la Terre et de Ni'Var. Les évacuations en cours, Burnham et l'équipage du Discovery doivent trouver un moyen de communiquer avec une espèce très différente de la leur avant qu'il ne soit trop tard.