У четвертому сезоні "Анатомії Грей" лікарі лікарні Сіетл Грейс стикаються з численними викликами в особистому та професійному житті. Після шокуючого завершення попереднього сезону персонал має справу з наслідками злиття лікарні з Mercy West, що призводить до напруженого суперництва та боротьби за владу.
Мередіт намагається впоратися з погіршенням здоров'я своєї матері і повинна протистояти своїй давно втраченій зведеній сестрі Лексі, яка також працює в лікарні. Тим часом Крістіна переживає емоційне потрясіння, намагаючись оговтатися від невдалого весілля з Берком і знаходячи розраду в роботі.
Стосунки Дерека і Мередіт продовжують залишатися нестабільними, оскільки вони намагаються впоратися з суперечливими бажаннями бути разом і бути незалежними. Їхній любовний трикутник з Еддісон стає ще складнішим, коли вона повертається до Сіетл Грейс, щоб здійснити своє бажання мати дитину.
Іззі закохується в пацієнта Денні Дюкетта, попри усвідомлення етичних наслідків. Коли їхні стосунки поглиблюються, Іззі стикається з негативною реакцією колег і мусить прийняти важке рішення, яке може поставити під загрозу її кар'єру.
Алекс продовжує боротися зі своїм важким дитинством і намагається змиритися зі своєю роллю лікаря. Джордж стикається з власною невпевненістю, намагаючись збалансувати своє особисте життя з тиском роботи хірургічного ординатора.
Під час цієї особистої боротьби лікарі стикаються зі складними медичними випадками, які перевіряють їхні навички та випробовують їх на міцність. Вони повинні покладатися один на одного за підтримкою, навіть коли напруженість і суперництво загрожують розірвати їх на частини.
4 сезон "Анатомії Грей" охоплює складнощі кохання, втрати та постійну боротьбу між особистим зростанням і професійним успіхом, поки лікарі намагаються знайти своє місце у постійно хаотичному світі лікарні Сіетл Грейс.