La Segunda Temporada de Castle se estrenó el 21 de septiembre de 2009 y consta de 24 episodios.

Capítulo 1: Préstamo mortal
Castle intenta terminar su última novela y arreglar las cosas con Beckett. Después de que el escritor se entrometiera en el pasado de la agente, ésta está decidida a que su relación profesional termine cuanto antes. Quiere que, cuando Castle publique su libro, no vuelva a la comisaría. El escritor acepta su parte de culpa y accede al trato, pero le advierte que en este tiempo hará que cambie de opinión. Ambos tendrán que unir fuerzas para resolver un nuevo caso: la muerte de un hombre que ha aparecido colgado de un árbol. Pero, en el traslado del cadáver a la morgue, unos misteriosos hombres armados roban el cuerpo. Castle se infiltrará, en busca de pistas, en un local ilegal de apuestas donde acuden algunos capos mafiosos. Pero además, el escritor y la agente tendrán que lidiar con una periodista que está preparando un artículo sobre ambos, y que les acompañará durante todo el día. Por otra parte, la hija de Rick, Alexis, pide permiso a su padre para tener una cita con un chico.

Capítulo 2: Doble o nada
El primer caso para Beckett y Castle será el asesinato de una psicóloga matrimonial que ha aparecido muerta en una habitación. Las frases pintadas en su cara, repletas de errores gramaticales, podrían ser una pista para llegar al asesino. Los primeros investigados serán los pacientes de la víctima. Por otra parte, Ryan y Esposito tendrán que ocuparse del asesinato de un profesor de instituto que ha aparecido en una calle de Manhattan. Podría ser un homicidio por robo. Castle, a espaldas de Beckett, retará a Ryan y Esposito para ver quien es capaz de resolver antes su caso. Pero según avanzan en sus investigaciones, se verán obligados a trabajar juntos. 

Capítulo 3: Inventando a la chica
Durante la Semana de la Moda de Nueva York, aparece una joven muerta sin ningún tipo de identificación. La policía solo contará con dos pistas iniciales: la chica murió apuñalada por la espalda y seguramente fuera una modelo, ya que lleva un vestido de diseño único. Cuando comienzan la investigación en el backstage, descubrirán que la víctima era una prometedora modelo. Pero además, y para sorpresa de sus compañeros, el escritor se reencontrará con una joven modelo que conoce desde hace tiempo. Este contacto les servirá para avanzar en el caso. Pero la moda no será lo único de lo que se ocupe la prensa en estos días, ya que la última edición de la revista Cosmopolitan publica un artículo sobre Castle y Beckett como su inspiración. Por otra parte, Martha, la madre de Castle, se prepara a fondo para conseguir un papel en un espectáculo de Broadway.

Capítulo 4: Si me engañas una vez
Castle y Beckett investigan la misteriosa muerte de un explorador del Ártico durante una de sus expediciones. La policía cuenta tan solo con un vídeo del momento de su muerte. El viajero, para financiarse el viaje, llegó a un acuerdo con un colegio, por lo que enviaba semanalmente una grabación de sus aventuras. Pero la investigación les llevará por direcciones muy diferentes y más cerca de lo que imaginaban, incluyendo Park Avenue y la CIA. Según avanzan en el caso, el escrito y la agente irán descubriendo una larga serie de mentiras, y Castle llegará a frustrarse cuando empieza a plantearse que el asesino se está riendo de todos ellos. Para resolver este curioso asesinato, tendrán que descubrir quien engaña a quien.

Capítulo 5: Cuando la rampa se rompe
Castle podría tener a su alcance un nuevo y apetecible proyecto. Su representante, Paula, le adelanta que está trabajando para cerrar un acuerdo muy interesante que le llevaría definitivamente al estrellato. El escritor podría firmar las próximas novelas del agente secreto más famoso del mundo. Por otra parte, Beckett se llevará una sorpresa cuando su jefe le adelante que el alcalde de Nueva York quiere que se mantenga la colaboración entre la policía y Castle. Si esto ocurre, Kate tendrá que olvidarse por un buen tiempo de trabajar sola. Y mientras se confirma el futuro para ambos, Beckett y Castle deben seguir con su trabajo diario. Esta vez tendrán investigar la muerte de una mujer que ha aparecido en una alcantarilla y que podría llevar ahí un par de días. La única prueba que hallan en el cadáver es un envoltorio de caramelo fabricado en otro país.

Capítulo 6: Fin de semana de vampiros
Finalmente, Castle sigue colaborando con la policía, al menos hasta que publique sus próximas tres novelas. Así que Kate y Rick tendrán que seguir trabajando en equipo. En la doble entrega de esta noche, se enfrentarán a fanáticos del mundo vampírico y al turbio entorno de una estrella del rock. Halloween se acerca y un hombre es hallado muerto en un cementerio con una estaca en el corazón. Castle y Beckett seguirán la pista del asesino hasta llegar a un ritual vampírico. El primer paso para identificar el cadáver lo darán gracias a los curiosos implantes de colmillos de la víctima, ya que Castle conoce al colmillero más famoso de la ciudad. Tras identificar a la primera víctima, la investigación se irá complicando con la aparición de nuevas víctimas. Durante sus andanzas en el mundo de los fanáticos de los vampiros, Castle no perderá oportunidad para buscar un disfraz apropiado para su fiesta de Halloween y también para lograr que Kate vaya a su fiesta.

Capítulo 7: Unas últimas palabras muy famosas
Castle y Beckett investigan la muerte de una estrella del rock que ha sido hallada en circunstancias muy similares a las que aparece en su último videoclip. En esta ocasión, y por primera vez, Alexis ayudará a la policía, ya que es fiel seguidora del grupo. Gracias a ella conocerán más sobre la víctima y su entorno, como que la última canción del grupo trata sobre un fanático acosador que realmente existe, y también que la cantante había anunciado recientemente que iba a comenzar su carrera en solitario. Los primeros en ser interrogados serán los nuevos productores de la cantante, además de sus padres y su hermana, que tiene problemas con las drogas.

Capítulo 8: Matar al mensajero
Castle y Beckett investigan la muerte de una estrella del rock que ha sido hallada en circunstancias muy similares a las que aparece en su último videoclip. En esta ocasión, y por primera vez, Alexis ayudará a la policía, ya que es fiel seguidora del grupo. Gracias a ella conocerán más sobre la víctima y su entorno, como que la última canción del grupo trata sobre un fanático acosador que realmente existe, y también que la cantante había anunciado recientemente que iba a comenzar su carrera en solitario. Los primeros en ser interrogados serán los nuevos productores de la cantante, además de sus padres y su hermana, que tiene problemas con las drogas.

Capítulo 9: Amores que matan
Castle y Beckett deben investigar la muerte del asistente del fiscal del distrito, a quien asesinaron y después lanzaron desde un quinto piso a la calle. Esta vez, tendrán que trabajar con rapidez y sigilo, ya que el alcalde de Nueva York ha pedido explícitamente que se resuelva el caso lo antes posible. No quiere que se publique nada en los medios. Como el fiscal tenía fama de ser muy duro con los delincuentes, la policía revisará primero todos los casos en los que trabajó. Pero la pista que aporta una compañera de trabajo, será la primera que descubra muchos secretos de la fiscalía y una vida paralela del fiscal, relacionada con la prostitución. Por otra parte, Rick se preocupa porque su hija últimamente le cuenta más de su vida a Kate que a él. Aunque intenta mantener la calma, no puede evitar tener celos de Kate.

Capítulo 10: Un hombre de familia
El asunto que debe solucionar la pareja protagonista es la muerte de un hombre que encontraron accidentalmente entre la basura de un edificio y con aparentes signos de violencia. Pronto descubren que la víctima tenía una doble vida: estaba casado y con hijos y con una falsa identidad mantenía una relación con una compañera de trabajo. Esta doble vida, sin duda, complica la resolución del caso, ya que se multiplican los posibles asesinos. Y mientras tanto, Martha se prepara para el primer ensayo de su obra y Alexis comienza unas prácticas durante unos días en la comisaría. Y aunque el trabajo que le mandan no resulta ser tan interesante como esperaba, tendrá que adaptarse.

Capítulo 11: La quinta bala
Castle y Beckett investigan el asesinato de un marchante de arte al que han disparado en su propia galería. No hay videos de seguridad que muestren lo que ocurrió esa noche. La policía ha encontrado en el lugar de los hechos cinco casquillos, pero inexplicablemente sólo han localizado cuatro balas. La quinta bala desaparecida puede ser clave. Y por si esto fuera poco, el único testigo sufre amnesia. Con mucha paciencia y astucia intentarán que el testigo recobre la memoria. Mientras, buscan más pistas en el entorno cercano del galerista. Por otra parte, Martha sigue entusiasmada con sus avances en el manejo de la informática y con el reencuentro con Ched, su antiguo amigo del instituto, con el que contactó mediante la red social.