La stagione seguente inizia registrando il più alto indice d'ascolto per X-Files fino a quel momento, con Herrenvolk. L'episodio introduce diversi nuovi elementi della cospirazione: le api assassine progettate per diffondere virus, i cloni, gli ibridi alieni e la Rappresentate Speciale alle Nazioni Unite Marita Covarrubias (interpretata da Laurie Holden) che diventa l'informatore di Mulder e Scully in diversi episodi, come Teliko e Unrequited.

Home segna il ritorno di Morgan e Wong come autori (dopo la cancellazione della loro serie "Space: Above and Beyond"). L'episodio è ambientato nella campagna della Pennsylvania e racconta la storia di una famiglia di assassini, mettendo in risalto il contrasto tra l'orribile violenza dei protagonisti e la calma del luogo dove la storia si svolge. L'episodio diventa subito un successo tra i fan, ma fa discutere l'opinione pubblica.
L’ufficio standard etici della FOX, responsabile di tutte le implicazioni etiche, morali e legali legate alla programmazione televisiva, segnala l'episodio con l'etichetta "Parental Advisory" e si rifiuta di rimandarlo mai in onda (sebbene qualche anno più tardi venne di nuovo inserito nel palinsesto televisivo).

Nell'autunno del 1996, durante la prima parte della quarta stagione, la nuova serie di Chris Carter, Millennium, anch'essa prodotta a Vancouver, debutta in televisione il venerdì sera. Di conseguenza X-Files viene spostato dal venerdì alla domenica sera, nell'ottica di ottenere maggior ascolto.
Il primo episodio ad andare in onda in questa nuova collocazione è Unruhe, scritto da Vince Gilligan e diretto da Rob Bowman. L'episodio, uno dei più scuri e cupi della serie, racconta di un uomo (interpretato da Pruitt Taylor Vince) che sottopone a lobotomia alcune donne che lui stesso ha rapito e che proietta le sue fantasie in "pensieri fotografici".
Gilligan scrive anche Paper Hearts, una storia che coinvolge emotivamente Mulder, collegando i ricordi del rapimento di sua sorella ad un caso che riguarda un assassino di bambine recidivo.

Morgan e Wong contribuiscono con Musings of a Cigarette Smoking Man che lega X-Files alle reali teorie cospirative degli assassini di John Kennedy e Martin Luther King. Si tratta del primo episodio in cui non appaiono Mulder e Scully. Nell'episodio fu originariamente inserita la morte di Froihke, prima che Carter rifiutasse l'idea, ma la scena venne comunque girata da James Wong. Chris Owens, che in seguito interpreterà altri ruoli per la serie, fa la sua prima apparizione in questo episodio interpretando un giovane Uomo che Fuma.

Tunguska e Terma sono episodi mitologici nei quali Mulder e Krycek vengono mandati in un gulag Russo ed hanno a che fare con l'olio nero ed il Consorzio.

A metà stagione gli indici di ascolto raggiungono livelli mai toccati prima dalla serie e X-Files diventa la serie più popolare della FOX.

Molti episodi della stagione approfondiscono le storie personali di Mulder e Scully.
The Field where I died e Demons rappresentano entrambi i tentativi di Mulder di recuperare il suo passato, o le sue vite passate.
Never again, l’ultimo episodio scritto da Morgan e Wong per la serie (prima del loro ritorno nella decima stagione) è basato sulla vita personale di Scully, con Jodie Foster (grande ed illustre fan di X-Files) che nella versione originale dà voce al tatuaggio di Ed Jerse. Per questo episodio era inoltre prevista una collaborazione con il famoso regista cinematografico Quentin Tarantino che però andò in fumo (Tarantino non era membro della Directors Guild of America e per questo non ottenne il permesso di lavorare per la serie). L'episodio alla fine fu diretto da Rob Bowman.

Nel gennaio del 1997 la FOX ottiene il diritto di trasmettere il trentunesimo Super Bowl ed inserisce X-Files nel palinsesto della serata nella fascia oraria successiva all'evento sportivo. Never again viene quindi spostato alla settimana seguente e Leonard Betts, un classico mostro della settimana, viene ritenuto più adatto a presentare la serie ad un pubblico molto vasto ed ottiene l'ambìta collocazione dopo il Super Bowl.
Come risultato di questo cambiamento, Leonard Betts diviene l'episodio di X-Files più visto di tutti i tempi, con un indice Nielsen del 17.2 ed uno share del 29%.
Si tratta anche del primo episodio scritto dal gruppo Vince Gilligan, John Shiban e Frank Spotnitz che in seguito saranno responsabili di molte altre storie.

L'episodio racconta di un paramedico (interpretato da Paul McCrane) in grado di rigenerare il suo corpo nutrendosi di tessuti cancerogeni. La data di trasmissione di Leonard Betts diventa cruciale considerato che la scena finale proietta la serie in uno degli archi narrativi più importanti mai affrontati e che ha formalmente inizio con gli eventi raccontati in Memento Mori, nel corso del quale viene rivelato che Scully ha contratto un cancro inoperabile al cervello.
A causa del Super Bowl, Never again venne però inserito tra i due episodi descritti in precendenza, suggerendo così che il comportamento di Scully in quell'episodio fosse dovuto alla scoperta della malattia.
Gillian Anderson dichiarò che avrebbe interpretato il ruolo in modo completamente differente se fosse stato realmente così. Tuttavia, il lavoro svolto da Gillian durante la storia del cancro sviluppata in questa stagione viene elogiato e premiato. Nel 1997 Gillian vince un Emmy nella categoria Outstanding Lead Actress in una serie drammatica, così come il suo secondo Screen Actors Guild Award ed un Golden Globe.

Memento Mori fa affidamento su una voce fuori campo, una tecnica che sarà usata più spesso negli anni successivi, grazie alla quale i pensieri di Scully trovano voce mentre quest'ultima combatte contro la malattia e allo stesso tempo indaga sulle sue origini, portandola indietro fino al suo rapimento.
Mulder, Skinner e l'Uomo che Fuma sono protagonisti di Zero Sum, uno dei pochi episodi che non vede il coinvolgimento di Gillian Anderson, anche se gli eventi qui raccontati sono dovuti in parte al peggiorare delle condizioni di Scully, oltre che ai piani del Consorzio per la diffusione delle api assassine.

Una volta scoperta la malattia, Scully continua a lavorare con Mulder indagando sugli X-Files, apparentemente debilitata solo da occasionali perdite di sangue dal naso, sebbene il tema della suà mortalità torni di nuovo in Elegy nel seguito della stagione.

Nel frattempo, vengono prodotti episodi notevoli come Tempus Fugit e Max, nel quale torna brevemente Max Fening di Fallen Angel, nei quali gli agenti indagano su un misterioso salto temporale avvenuto durante un incidente aereo.

Nel mezzo di quello che viene considerato l'anno più cupo della serie, Small potatoes fornisce un tono più leggero. L'episodio è scritto da Vince Gilligan, e Darin Morgan, prima di andarsene, ci lascia il personaggio di Eddie Van Blundht, un mutaforma che descrive sè stesso come un "perdente" e che diventa il centro delle indagini di Mulder e Scully in una cittadina del West Virginia dove nascono bambini con la coda.
La scena finale dell'episodio fornisce ai fan "shippers" (i fan che sono a favore di una relazione sentimentale tra Mulder e Scully) la visione di "Mulder" e Scully finalmente insieme tramite l'utilizzo del mutaforma.

La stagione termina con Gethsemane ed il suo finale, come da tradizione, aperto in cui sembra che uno dei personaggi principali stia per morire, mentre l’altro rimanga ucciso dopo aver visto cadere le proprie convinzioni come un castello di carte.

Nel 1997 X-Files ottiene 12 nominations agli Emmy, tra cui quelle per miglior serie drammatica, missaggio suono, trucco, musica, regia, sceneggiatura e montaggio. Vince nelle categorie per il suono e la direzione artistica, oltre che con Gillian Anderson. Ai Golden Globe, David e Gillian vincono come miglior attore / attrice in una serie drammatica ed X-Files vince nella categoria di miglior serie la seconda volta, raccogliendo così i tre premi più importanti.
In quell'anno la serie vince anche un secondo Saturn Award nella categoria di miglior serie televisiva.