Meredith Grey (Ellen Pompeo), Cristina Yang (Sandra Oh), Izzie Stevens (Katherine Heigl) y Alex Karev (Justin Chambers) cumplen un año como residentes y ahora son ya los mentores de sus internos. Además, la serie incorpora a un nuevo personaje que dará mucho de qué hablar: Callie (Sara Ramírez). Entre los nuevos internos está también George (T. R. Knight), forzado a repetir su internado tras suspender sus exámenes y Lexie Grey (Chyler Leigh), la hermanastra de Meredith.

La temporada arranca después de que Cristina sea plantada en el altar por Burke. En el terreno sentimental, Derek y Meredith inician una etapa como ex-pareja. Nuestra protagonista, además, tendrá que soportar la llegada de Lexie, su hermana por parte de padre, con la que no se llevará muy bien. Cristina, por su parte, se volcará en su trabajo tras su ruptura y Mark Sloan deberá aceptar que Addison, de la cual estaba enamorado, también se ha marchado.  Además, el puesto de Burke será ocupado por su rival desde la facultad; la exigente Erica Hanh (Brooke Smith).

La vida en el Seattle Grace Hospital no va a ser tranquila; un triple accidente de coche manda numerosos heridos a urgencias.