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Die vierte Staffel setzt unmittelbar am Ende der dritten an: Superman und der Kryptonier Doomsday tragen ihren Kampf im All aus. Der Auftakt verwebt das Duell mit Rückblenden auf Clarks Leben – wie er Lois seine Identität offenbart, die Geburt der Zwillinge und stille gemeinsame Momente des Paares.
Auf der Erde hat Lex Luthor ein Hotel in Smallville gekauft und zu seiner neuen Operationsbasis gemacht. Von dort setzt er den Kents zu. Sein Handlanger-Duo Otis und eine Frau, die sich Gretchen nennt (nicht ihr echter Name), hat General Sam Lane entführt und lebendig begraben. Jordan spürt Sam auf und rettet ihn.
Im All erreicht das Duell seinen Höhepunkt: Doomsday überwältigt Superman, tötet ihn und reißt ihm das Herz heraus. Den leblosen Körper bringt er zur Erde und legt ihn vor den Kents ab, das Herz übergibt er Lex Luthor.
Luthor lässt das Herz in eine eigens angefertigte Box legen, die der LuthorCorp-Mitarbeiter Milton Fine gebaut hat. Gemeinsam mit seiner Vertrauten Amanda McCoy verfolgt er zugleich die Spur zu seiner entfremdeten Tochter Elizabeth. Otis und „Gretchen“ rät er, nach der missglückten Entführung vorerst unterzutauchen.
Lana hält die Menge davon ab, sich Supermans Körper zu nähern, während Jordan ihn zur Festung bringt. Dort versetzt Lara ihn in denselben Stasis-Zustand, der einst für Kriminelle vorgesehen war. Ganz Smallville trauert um den Helden – und einige Bewohner beginnen zu ahnen, wer hinter Superman steckte.
Jordan will seinen Vater wiederbeleben und macht sich auf die Suche nach dessen Herz. Bei einem Treffen Luthors mit dem LuthorCorp-Mann Sebastien „Bash“ Mallory stellt er den Geschäftsmann zur Rede. Luthor durchschaut Jordans Bluff – und erkennt dabei, dass Superman und Clark Kent ein und dieselbe Person waren.
In der Nacht schleicht sich Jonathan mit Sarahs Hilfe in Luthors Hotel, um das Herz zu finden. Jordan verfolgt dessen Spur bis zu einem Lagerplatz, läuft aber in eine Falle: Luthor überwältigt ihn und zerstört das dort deponierte Herz. Anschließend ruft er Lois an und zwingt sie zu der Entscheidung, welcher ihrer Söhne überleben soll – lässt Jordan am Ende jedoch frei. Lana findet Jonathan und bringt ihn nach Hause.
Tatsächlich behält Luthor das echte Herz in seinem Besitz. Amanda McCoy berichtet ihm, dass Sam dafür gesorgt hat, dass sich Elizabeth verstecken kann. Die Kents versammeln sich in der Festung, um Abschied zu nehmen. Dort zeigt Lara ihnen ein letztes Geschenk Clarks: ein holografisches KI-Abbild seiner selbst, das er für den Fall seines Todes hinterlassen hat.
Sam Lane rekrutiert John Henry und Natalie für das Squad K des DOD und fordert von General Hardcastle jenes Serum, mit dem Bruno Mannheim einst Bizarro wiederbelebte. Lois veröffentlicht ihren Bericht über Supermans Tod – ein Streit zwischen den Zwillingen bricht aus, in dessen Verlauf sich erstmals Jonathans kryptonische Kräfte zeigen. Er willigt in ein Training ein.
Lex Luthor besucht Jordan und spielt ihm Lois' Telefonat vor, aus dem hervorgeht, dass sie sich damals entschied, Jonathan zu retten. Jordan wirft seiner Mutter vor, Jonathan zu bevorzugen und Luthor zu Unrecht ins Gefängnis gebracht zu haben.
Luthor zwingt das Squad-K-Mitglied Jonell Jones, Sam den Aufenthaltsort von Elizabeth zu entlocken. Als Sam sich weigert, wird er angeschossen, und Luthor schickt Doomsday. In einem verzweifelten Akt injiziert sich Sam selbst das Serum, während John Henry und Natalie Doomsday aufzuhalten versuchen – doch das Monster bricht Sam das Genick.
Zuhause spielt Natalie den Kents eine Abschiedsbotschaft von Sam vor. John Henry bringt Sams Leichnam zur Festung, wo Lara Sams Herz in Clark überträgt, das ihn dank des Serums wiederbeleben soll. Während Kents und Irons einen Gedenkgottesdienst für Sam abhalten, erwacht Superman langsam wieder zum Leben.
Clark ist zu seiner Familie nach Smallville zurückgekehrt, doch die Rückkehr hat ihren Preis: Bei einem gemeinsamen Flug mit Jonathan stürzt er ab und muss erkennen, dass seine Kräfte und seine Ausdauer nachlassen. Für die Familie beginnt eine Zeit voller Unsicherheit über Supermans Zukunft.
Parallel gerät Jordan an „Gretchen“, die er dabei belauscht, wie sie Zweifel an ihrer Loyalität zu Lex Luthor äußert. Lois erkennt in ihr Cheryl Kimble und lässt sich von Jonathan zu ihr bringen. Sie drängt Cheryl, sich gegen Luthor zu stellen – doch die hat zu viel Angst vor ihm, um sich darauf einzulassen. Später verzeiht Jordan seiner Mutter den früheren Telefonanruf.
Im Mittelpunkt steht die spontane Hochzeit von Kyle und Chrissy, die Clark und Lois zu Trauzeugen machen. Chrissys Mutter reist an und fürchtet, ihre Tochter heirate Kyle nur wegen der Schwangerschaft. In Gesprächen mit Sarah und Lois wird Chrissy klar, wie wenig sie eigentlich über Kyle weiß – auch wenn sie ihn liebt.
Während der Zeremonie verlässt Jonathan die Feier, um in Metropolis einen Brand zu löschen. Dort trifft er auf Cheryl, die von Luthors Handlanger Hacksaw Kronick angegriffen wird – der Einsatz entpuppt sich als Falle. Superman rettet beide, John Henry Irons nimmt Kronick in DOD-Gewahrsam, doch Cheryl entkommt.
Zurück zu Hause beschließen Kyle und Chrissy, ihre Hochzeit zu verschieben. Jordan, der eine Pause vom Superhelden-Dasein braucht, übergibt Jonathan seinen Anzug. Und in der Nacht überschlagen sich die Medien mit einer Nachricht, die alles verändert: Superman ist zurück von den Toten.
Nach Supermans Rückkehr steht Lex Luthor erneut im Rampenlicht. Superman fängt ihn bei seiner Ankunft in Smallville ab und rät ihm, seinen Zorn loszulassen. Rückblenden zeichnen derweil Lex' Vergangenheit nach – das Zerbrechen seiner Ehe und die Misshandlung durch seine Mutter, die Wurzeln seines unbändigen Hasses.
Da Superman gegen Doomsday machtlos ist, setzt Lois auf einen letzten Ausweg: Sie spürt Lex' entfremdete Tochter Elizabeth in Frankreich auf und bittet sie, auf ihren Vater einzuwirken. Die schwangere Elizabeth willigt widerwillig ein.
In Smallville kommt es zum Wiedersehen von Vater und Tochter. Elizabeth stellt Lex ein Ultimatum: Er solle seinen Rachefeldzug gegen Lois Lane aufgeben – andernfalls bleibe ihm der Zugang zu ihr und ihrem ungeborenen Sohn verwehrt. Doch Lex entscheidet sich abermals für Hass und Vergeltung, woraufhin Elizabeth ihn verlässt.
Parallel besucht Jonathans Freundin Candice die Familie, während er ständig verschwinden muss, um Lois zu helfen. Als sie die Ausflüchte der Zwillinge durchschaut, klärt Jordan sie schließlich auf; Candice und Jonathan versöhnen sich.
Der entscheidende Wendepunkt gelingt Lois: Mit dem Gerät ihres Vaters ruft sie Doomsday herbei und erinnert die Kreatur an ihre Familie aus der inversen Welt. Tatsächlich lässt Doomsday von seinem Zerstörungswerk ab. Zurück in Metropolis muss Luthor von McCoy erfahren, dass Doomsday spurlos verschwunden ist.
Lex Luthor bringt seinen Rachefeldzug nach Smallville: Er will LuthorCorp verlagern und ausgerechnet in Clarks Heimatstadt ein neues Hauptquartier errichten. Dafür setzt er Lana Lang unter Druck und versucht, Aidy Manning ein Grundstück abzukaufen. Lana und Clark überzeugen Aidy, den Verkauf zu stoppen – fürchten aber, dass sie nur einlenkt, weil sie Clarks Geheimnis kennt.
In einer Bar bietet Luthor Aidy und den übrigen Gästen je zehn Millionen Dollar für ihre Zustimmung. Alle lehnen ab; die Loyalität der Kleinstadt lässt sich nicht kaufen. Parallel überarbeitet sich Jonathan, während Lois versucht, Amanda McCoy von Luthor abzubringen, indem sie dessen Bruch mit Elizabeth offenlegt. Coach Gaines will die Kent-Zwillinge trotz ihrer Fähigkeiten für die Football-Saison gewinnen, und Jordan sucht im Diner nach etwas Normalität.
Nachts eskaliert der Konflikt: Luthors Handlanger Otis dringt in Lanas Haus ein und versucht, sie zu erwürgen. Sarah schlägt den Angreifer in die Flucht, der anschließend dem DOD übergeben wird.
Clark stellt Luthor vor dessen Hotel zur Rede – doch Lex hat vorgesorgt: Von Milton installierte Straßenlaternen strahlen rotes Sonnenlicht ab und rauben Superman seine Kräfte. Vor den Augen seiner Familie schlägt Clark Luthor dennoch in einem reinen Faustkampf nieder und warnt ihn, nie wieder nach Smallville zurückzukehren.
Zum Abschluss darf Sarah ihren Wunsch nach einem Auslandsstudium verwirklichen. In Metropolis schwört die zurückgekehrte Amanda McCoy Luthor erneut Loyalität – und rät ihm zu einem eigens gefertigten Kampfanzug, um es künftig mit Superman aufzunehmen.
Clark Kent versucht, in Smallville seine geheime Identität als Superman zu wahren, während der Verdacht wächst. Um Coach Gaines zu täuschen, spielt er sogar den Ungeschickten. Gaines will Clark als Assistenztrainer zurück und arbeitet daran, Jon und Jordan wieder ins Footballteam der Smallville High zu holen – doch Clark lehnt ab.
Nach vier Staffeln führt die Folge endlich Jimmy Olsen ein. Rückblenden zeigen, wie Clarks Geheimnis die Freundschaft zu Jimmy zerbrach: Weil er ständig die Softball-Spiele des Daily Planet verpasste, verglich Jimmy Clarks Abwesenheiten mit den Einsatzberichten Supermans und kam der Wahrheit nahe. Um ihn von der Spur abzubringen, ließ Clark bewusst das Finale sausen, ohne als Superman aktiv zu sein.
Als Clark erfährt, dass Jon und Jordan Candice die Wahrheit anvertraut haben, ist er aufgebracht – es unterstreicht, welche Opfer die Geheimhaltung fordert. Jon entgegnet, er verstehe nun, warum sein Vater keine Freunde habe, finde das aber traurig und wolle so nicht leben.
Das Abendessen mit Kyle und Chrissy wird jäh unterbrochen, als Emmitt Pergande Clark mit einer Waffe gegenübertritt – er kennt inzwischen dessen wahre Identität. Daraufhin arrangiert Lois ein Enthüllungsinterview, in dem Clark der ganzen Welt offenbart, wer er ist. Zum Schluss versöhnt er sich mit Jimmy.
Lois erhält die erlösende Nachricht, dass sie krebsfrei ist. Zeitgleich retten John Henry Irons und Natalie ahnungslos Milton Fine aus einem inszenierten Autounfall – jenen Mann, der in Wahrheit hinter Luthors technologischem Vorsprung der ganzen Staffel steckt. LuthorCorp arrangiert derweil ein Interview mit Moderator Gordon Godfrey, in dem Luthor Lois öffentlich zu einer Debatte herausfordert.
John erfährt, dass der Belastungszeuge Otis tot in seiner Zelle aufgefunden wurde, bevor er gegen Luthor aussagen konnte. Bei Tests an Clark stellt er zudem fest, dass dessen Kräfte langsam schwinden, weil sein außerirdischer Körper mit dem menschlichen Herzen von Lois' verstorbenem Vater ringt. Auf der privaten Ebene trennt sich Candice von Jonathan, weil Fans sie wegen seiner Popularität bedrängen; Jordan und Natalie überreden ihn zu einer persönlichen Aussprache, und die beiden versöhnen sich.
Während des Interviews präsentiert Luthor Aufnahmen von Clarks Kampf gegen ihn und von Jonathans Eindringen in sein Hotel. Als Lois Elizabeth zu erreichen versucht, hackt Milton die Anzüge von John und Natalie und zwingt sie zum Angriff auf die Kents, wobei John in seiner Rüstung gefangen ist. Superman durchbricht ein Fenster, rettet John und macht dessen Anzug unschädlich, während die Zwillinge Natalies Anzug zerstören.
Noch in derselben Nacht enttarnt Godfrey Lois öffentlich als Supermans Ehefrau und stellt sie an den Pranger. Luthor und McCoy tauschen einen Kuss. Clark und Lois weihen die Zwillinge in Clarks gesundheitlichen Zustand ein. Am Ende gelangt Milton wieder in den Besitz von Johns Anzug und modifiziert ihn für Luthors Zwecke.
Die vorletzte Folge der Serie dreht sich um die Rückkehr von Doomsday. Nachdem Lois die Kreatur zuvor davon überzeugen konnte, nicht länger in Lex Luthors Auftrag zu handeln, hat sich Doomsday in die Minen von Smallville zurückgezogen und versucht dort verzweifelt, das Tor in seine eigene Welt wieder zu öffnen.
Lex Luthor spürt das Wesen in seinem Kampfanzug auf und bombardiert es gezielt. Er weiß: Ein vermeintlicher „Tod“ löst bei Doomsday eine erneute Verwandlung aus und macht ihn wieder zu der von blinder Wut getriebenen Bestie, die er für seine Zwecke braucht.
Der Plan geht auf. Doomsday kehrt in seiner zerstörerischsten Form zurück – größer und mit den markanten Knochenstacheln, die stark an die Version aus den Comics rund um „Der Tod von Superman“ erinnern. Superman will eingreifen, doch der rasende Doomsday attackiert ihn und legt weite Teile von Smallville in Trümmer.
Am Ende landet ein schwer geschlagener Superman vor den Augen seiner Familie. Bevor die Kreatur ihn mit sich fortreißt, richtet er seine letzten Worte an seine Liebsten: „Ich liebe euch alle.“ Damit ist die Bühne für das große Serienfinale bereitet.
Das Serienfinale It Went By So Fast setzt den Kampf zwischen Superman und dem kryptonischen Ungeheuer Doomsday fort. Superman versucht, die Kreatur in die Sonne zu tragen. Kurz bevor sie verglüht, erlangt Doomsday einen letzten Moment der Menschlichkeit und ergibt sich freiwillig seinem Schicksal. Der Sieg fordert jedoch einen hohen Preis: Im Kampf verliert Clark sein kryptonisches Herz.
Zeitgleich zieht Lex Luthor in seinem Kampfanzug los und macht Jagd auf Amanda McCoy, die er für eine Verräterin hält. Lois schwächt den Anzug mithilfe einer Bombe von John Henry Irons, sodass Superman Lex schließlich überwältigen und aus der Rüstung schlagen kann. Auch General Sam Lane fällt im Zuge der Ereignisse dem Angriff von Doomsday zum Opfer.
Schwer verletzt erhält Clark ein menschliches Herz. Die Folge davon: Der Mann aus Stahl altert von nun an im ganz normalen menschlichen Tempo – ein tiefgreifender Wendepunkt für seine Zukunft.
Ein Zeitsprung führt ein Jahr weiter: Auf der Kent-Farm feiern Lana Lang und John Henry Irons ihre Hochzeit, bei der Lois als Traurednerin fungiert. Auch Chrissy Beppo und Kyle Cushing sind mit ihrem kleinen Kind dabei. Die Serie nimmt sich Zeit, das Leben ihrer Figuren zur Ruhe kommen zu lassen.
Eine Montage spannt schließlich den Bogen über Jahrzehnte: Clark überlebt Lois, deren Krebserkrankung zurückkehrt. Viele Jahre nachdem er sein menschliches Herz erhalten hat, versagt es – und Clark stirbt im hohen Alter, während seine Söhne an seinem Bett sitzen.
Zum Abschluss wandert Clark, aus dem Off erzählend, durch ein Jenseits, in dem er alten Freunden und Weggefährten wieder begegnet. Am Ende steht das Wiedersehen mit Lois: Die beiden küssen sich, dann rollt der Abspann. It Went By So Fast bildet damit den endgültigen Schlusspunkt der Serie.