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 destructrice. Alors que Burnham dirige l'équipage, elle doit également trouver un moyen d'aider Book à faire face à une perte inimaginable.

Burnham et Tilly traquent l'assassin d'un officier de Starfleet tandis que Stamets et l'équipe scientifique tentent d'empêcher l'anomalie de tuer d'autres personnes.

Tilly et Adira dirigent une équipe de cadets de Starfleet lors d'une mission d'entraînement qui prend une tournure dangereuse. Burnham participe à dans des négociations tendues 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.

En quête de réponses, le Discovery s'aventure dans une faille subspatiale créée par l'anomalie de matière noire. Pendant ce temps, Book doit faire face à un étrange visiteur de son passé.

La tension monte alors que des représentants de toute la galaxie se réunissent pour faire face à la menace de l'anomalie de matière noire.

Suite à un pressentiment, Burnham suit Book dans un ancien repaire de leur époque de coursiers et se retrouve entraînée dans une compétition à fort enjeu pour une arme puissante.

Le capitaine Burnham et l'USS Discovery s'efforcent d'empêcher Book et Ruon Tarka de lancer un projet clandestin qui pourrait, par inadvertance, mettre la galaxie en danger.

Le capitaine Burnham et son équipage doivent aller là où peu sont allés auparavant : au-delà de la barrière galactique. De son côté, Book apprend la vérité sur les motivations de 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.