美国政府制定一项计划，拟花费七十亿美元，建造一台可以提供时空旅行的机器。一位参议员被国会派去检查该项目进展情况，以决定政府是否继续资助这计划。由于项目的进展令议员很失望，因而项目负责人之一托尼决定以身涉险，使用“时光隧道”进行了一次短途的时光履行，回到了过去，以证明该装置的效能。
东和集团大小姐向园临危受命，拯救濒临倒闭的西安分公司，开始了自己的历练之旅。向园遇到了自己曾苦追不得的校园男神徐燕时。徐燕时深陷逆境，面对职场不公却依然坚持成为导航工程师的梦想。向园在处理公司危机过程中逐渐成长，独当一面。两人彼此支撑，又一次擦出了爱的火花，为实现中国北斗导航研究的梦想共赴征程。
这一季的故事依然围绕着五位主角展开。相恋9年的马修（杰森·席格尔 Jason Segel 饰）和莉莉（艾丽森·汉妮根 Alyson Hannigan 饰）终于决定结婚，在他们为婚礼筹备忙得不亦乐乎时，准新娘莉莉却忽然一声不吭独自跑去旧金山学艺术，马修只好取消婚礼。三个月后莉莉重新回到纽约，想要和马修重修于好，伤透了心的马修是否原谅莉莉？另一方面，互有好感的二人——泰德（乔什·拉德诺 Josh Radnor 饰）和罗宾（寇碧·史莫德斯 Cobie Smulders饰），在经过种种事件、多番波折后，终于了解自己真正的感情，于是二人决定在一起。而花花公子巴尼（尼尔·帕特里克·哈里斯 Neil Patrick Harris 饰）依旧享受着他的单身汉生活，但在其他方面他却保持神秘，泰德等四人发现他们其实并不了解巴尼，于是都开始对巴尼好奇起来……
工科医大理工学部的学生·掛田理（小泷望）。从年幼的时候开始就是个精力充沛的科学少年，只埋头于感兴趣的事情的怪人掛田，进入大学之后对恋爱等也不关心。为了寻求对任何事物的科学的理解，不擅长恋爱这个理论不能立的现象。这样的他爱上了学生食堂的姐姐饭岛（马场富美加）。饭岛用灭火器 扑灭食堂的大火，她的雄姿抓住了掛田的心。到底掛田的恋爱能成功吗？经过反复实验和验证，掛田开始了与众不同的恋爱努力！
