çavuş Paul Jackson kurtulur fakat daha sonra radyasyon sonucu ölür.
Olayın ardından Al-Asad'ın, Amerikan işgalinden kısa bir süre önce ülkeyi terk ettiği ve Azerbaycan'da saklandığı tespit edilir. Yüzbaşı Price liderliğindeki SAS birliği, daha önce Rusların elinden kurtarılan muhbir Nikolai'nin de yardımı ile Al-Asad'ın bulunduğu eve baskın yaparak Al-Asad'ı ele geçirir. Sorguya çekilen Al-Asad, nükleer bombayı Zakhaev'in tahsis ettiğini açıklamamakta direnir; fakat Al-Asad'ın telefonuna gelen çağrının ardından Yüzbaşı Price bombanın kimden geldiğini anlar ve Al-Asad'ı öldürür. Ardından Price'ın, Ukrayna'nın Pripyat şehrinde Zakhaev'e düzenlenen suikastte görev aldığı, geçmişe dönük bir görev başlar.

Yaklaşık 15 yıl önce, Çernobil reaktör kazası ve Sovyetler Birliği'nin dağılışının ardından oluşan çalkantılı dönemden yararlanan Zakhaev, nükleer silahları ele geçirir ve Sovyet Ordusu'na bağlı askerleri kendi tarafına çekerek aşırı milliyetçi bir parti kurar. 1996'da Price, SAS'a bağlı İskoç Yüzbaşı MacMillan ile birlikte Birleşik Krallık hükûmeti tarafından Zakhaev'e suikast yapılması için görevlendirilir. İkili, Pripyat'a gizlice sızar ve terk edilmiş bir otelde konumlanarak atış için uygun zamanı bekler. Zakhaev'e Barrett M82 markalı, 50 kalibrelik keskin nişancı tüfeğiyle ateş eden Price; hedefi tam olarak tutturamaz ve mermi, Zakhaev'in sol koluna isabet eder. Suikast girişiminden sağ kurtulan Zakhaev, sol kolunun tamamını kaybeder. Olayın ardından harekete geçen parti yandaşları, keskin nişancıları takibe başlar. Kaçış sırasında MacMillan bacağından yaralanır ve Price onu kaçış noktasına kadar taşır.

Tekrar günümüze dönüldüğünde ise; Yüzbaşı Price komutasındaki SAS komandoları, Al-Asad'ı yakaladıkları kasabaya Rus milliyetçiler tarafından düzenlenen karşı taarruzu, Amerikan Deniz Piyade Kolordusuna bağlı bir helikopterinin yakın hava desteği ile bertaraf etmeyi başarır. Takım, daha önce Orta Doğu'da Jackson ile beraber görev yapmış Başçavuş Griggs komutasındaki bir ekip tarafından kurtarılır. Bundan sonra, Yüzbaşı Price'ın emri altındaki SAS askerî birliği ve USMC'ye bağlı Başçavuş Griggs komutasındaki destek biriminin ortak operasyonu gerçekleşir. Bu birliklere, Rus Ordusu'na bağlı Çavuş Kamarov tarafından yönlendirilen bir birim daha eşlik eder. Ortak birimin görevi, Zakhaev'in oğlu Victor'u canlı olarak yakalamak ve babasının nerede olduğunu öğrenmektir. Fakat operasyon, Zahkaev'in oğlunun intihar etmesiyle sonuçlanır.

Imran Zakhaev bu durum karşısında oldukça sinirlenir ve oğlunun ölümünden Batılı ülkeleri sorumlu tutar. Misilleme yapmak amacıyla nükleer başlık taşıyan ve yaklaşık 40 milyon kişiyi öldürebilecek kapasiteye sahip Topol-m balistik füzelerinin, USMC ile SAS askerlerinden oluşan birlik Rusya'daki tesise geldiği sırada Zakhaev, kıtalararası balistik füzelerin Amerika Birleşik Devletleri'ne gönderilme emrini verir. Ortak operasyon güçleri ana giriş kapısından üsse girer. Üç BMP tankını yok ettikten ve düşman askerlerinin çoğunu etkisizleştirdikten sonra kontrol merkezine ulaşırlar. Füzeler hedeflerine ulaşmadan, Atlas Okyanusu üzerinde imha edilir. Zakhaev'in birlikleri karşı hücuma geçerken, dost birlikler askerî cipler ile bölgeden uzaklaşır.

Kaçış esnasında düşman Mil Mi-24 helikopteri, askerlerin geçişi sırasında kullanacakları köprüyü havaya uçurur. SAS ve USMC ekipleri köprüde düşman tarafından sıkıştırılır. Zakhaev'in askerleri bir süre sonra gelir ve dost kuvvetler ile mücadeleye girişir. Bu esnada Gas Kamarov'dan telefon alır ve Karamov'un askerlerde birlikte yardıma geldiğini öğrenir. Çatışma sürerken, köprü üzerindeki benzin dolu tanker alev alır ve bir patlama yaşanır. Askerlerin çoğu savaşamaz durumdayken Griggs, Soap'u güvenli yere taşımak isterken vurulur. İki askeri eşliğinde olay yerine gelen Zakhaev, Gaz ile kendisine bağlı askerleri öldürür. Zakhaev, tam Soap'ı öldürmek üzere iken, Rus Ordusu'na bağlı bir Mil Mi-28 helikopterin Mil Mi-24'ü yok etmesi dikkatini o yöne doğru çeker. Tam o sırada ağır bir biçimde yaralanmış olan Yüzbaşı Price, tabancasını Soap'a gönderir ve Soap, Zakhaev ve korumalarını öldürür. Kamarov'un içinde olduğu Rus askerî kuvvetleri alana iştirak eder ve Soap Mactavish sağlık ekibi tarafından Mil Mi-28'e taşınır. Bu sırada ilkyardım ekibinden birisinin Yüzbaşı Price'i hayata döndürmeye çalıştığı gözlenirken hikâye sona erer.

Olaylardan sonra gösterilen haberlerde, "Rusya'da nükleer füze denemesi", "Aşırı Milliyetçi Parti'de liderlik mücadelesi", "Bering Boğazı'nda kaybolan bir kargo gemisini arama çalışmalarına kötü hava şartları dikkate alınarak son verildi" ve "Rusya'da yaşanan son çatışmalardaki sır perdesi hala devam etmektedir" gibi başlıklar yer almaktadır.

"Call of Duty 4", yaklaşık yüz kişiden oluşturulan bir ekip tarafından, iki yılı aşkın bir sürede geliştirildi. Infinity Ward, "Call of Duty 2" sonrası, serinin önceki oyunlarının tamamında yer alan II. Dünya Savaşı temasından uzaklaşma kararı aldı. Bunun sonucu olarak, konusu yakın gelecekte geçen "Call of Duty 4: Modern Warfare" geliştirildi. Oyunun hikâyesinde, günümüzdeki olay ve savaşlara yer vermekten kaçınan Infinity Ward, serinin genelinde görülen eşit güçlerdeki iki karşı tarafın çatışması temasını bu oyunda da devam ettirdi. Oyunun yapımı esnasında Kaliforniya'daki askerî üsse gidildi, askerî yetkililerle fikir alışverişinde bulunuldu ve eğitimler izlendi. Ekip ayrıca, yakın zamanda çatışmalarda görev almış Amerika Birleşik Devletleri Deniz Piyadeleri ile birebir röportaj yaptı ve çatışma sırasında yaşananlar, hissedilen duygular ve gözlenen tutumlar hakkında bilgi aldı. Oyundaki karakterlerin tasarımında ve yapay zekâ konusunda da deneyimli askerlerden yararlanıldı.

Çevrimiçi çok oyunculu modu, tecrübeli ve yeni oyuncular arasındaki fark minimum düzeyde olacak şekilde tasarlandı. Bu doğrultuda hava saldırısı düzenleme ve saldırı helikopterleri çağırabilme fikri uygulamaya geçirildi. Bunun yanında oyuncuların kişisel becerilerini geliştirmeleri için, ölmeden öldürdüğün kişi sayısına göre ödül sistemi geliştirildi. Oyuncuların, istedikleri silahlarla istedikleri kombinasyonları oluşturabilmeleri için silah sınıfı sistemi oyuna eklendi. Haritalar, öncelikli olarak Deathmatch oyun moduna göre hazırlandı ve diğer çok oyunculu modlara da adapte edildi.

"Call of Duty 4: Modern Warfare"teki müziklerin birçoğu, film müziği bestecisi Harry Gregson-Williams ile ortak olarak birçok projede yer alan İngiliz besteci Stephen Barton tarafından bestelendi. Bazı müzikler, Infinity Ward'ın "7 Days of Modern Warfare" adlı internet sitesinde mevcutken, bir kısmı da Barton'nın kendi sitesinden dinlenebilmektedir. Jenerik kısmında çalan rap müzik, animasyon ekibinin başı Mark Grigsby tarafından yorumlandı.
"Call of Duty 4: Modern Warfare"in kullandığı IW engine adlı oyun motoru; gerçek zamanlı dinamik aydınlatmalar, HDR ışıklandırma efektleri, dinamik gölgelendirmeler ve alan derinliği gibi özelliklere sahiptir. Kurşunların etkisi motor tarafından hesaplanmakta ve yüzey tipi, zemin kalınlığı gibi etmenlere göre verdiği hasarlar değişiklik göstermektedir. Bu özellik sayesinde, tahta çit veya ince duvar gibi nesnelerin arkasında saklanan oyuncular, az miktarda da olsa hasar alabilmektedirler. Oyunda, araba ve bazı binalar gibi belirli nesneler de hasar görebilmektedir. Ayrıca, oyuncuların oyuna katılma noktaları; düşman pozisyonlarına yakınlığa ve düşmanın görüş açısına göre uygun bir biçimde kodlanmıştır.

Oyunun yapımcıları, serinin diğer oyunlarında bulunmayan bir dinamik fizik motoru kullanmışlardır. "Call of Duty 4"; saniyede 60 kare hızı geçiş özelliğine sahipken, Wii versiyonunda bu sayı 30'a düşmektedir. Xbox 360 ve PlayStation 3'te 600p çözünürlüğünde çalışan oyun, Wii'de 480p çözünürlüğünde çalışmaktadır.

27 Nisan 2007'de, oyunun resmî fragmanının yayımlanmasından bir gün önce Infinity Ward, oyunla ilgili bilgileri kamoyu ile paylaşmak amacıyla "Charlie Oscar Delta" adlı bir site oluşturdu. Böylece oyunun rütbe sistemi hakkında bir bilgilendirme verildi. Oyunculara birtakım görevleri yerine getirmeleri ile derece atlama ve ödül kazanma fırsatı sunuldu.

"Call of Duty 4: Modern Warfare"in ilk fragmanı 28 Nisan 2007’de yayımlandı. Sunucuların test edilmesi, hataların düzeltilmesi ve silahlar arasındaki dengenin kurulması amacıyla Xbox 360 için hazırlanan oyunun beta sürümü, 30 Ağustos 2007'de duyuruldu. İlk olarak Amerika Birleşik Devletleri'nde yayımlanan beta sürüm, sonraları diğer ülkelerde de yayımlandı. Beta testi, 30 Eylül 2007’de son buldu. Önceleri, betadaki maksimum rütbe sayısı 16 iken, betanın sonlarına doğru bu sayı 25'e çıkarıldı. Oyunun beta sürümünde; Crash, Vacant ve Overgrown haritaları yer almaktaydı.

PC demosu ise, 11 Ekim 2007'de Yahoo! üzerinden kullanıma sunuldu. Aynı gün başka sitelerde de ücretsiz olarak yayımlandı. Sadece tek oyunculu moda sahip olan 1,37 GB boyutlu demoda, "The Bog" bölümü oynanabilir olarak yer aldı.

"Call of Duty 4", çeşitli konsollar ve Windows için 6 Kasım 2007'de Kuzey Amerika'da, 7 Kasım 2007'de Avustralya'da, 9 Kasım 2007'de ise Avrupa'da yayımlandı. Aspyr tarafından geliştirilen Mac OS X versiyonu ise 26 Eylül 2008'de tüm dünyada eş zamanlı olarak satışa sunuldu. Oyun, BBFC'den 15, ESRB'den M, OFLC'den MA 15+, PEGI'den 16+ ve USK'den 18 derecelerini aldı.

Wii versiyonu "Call of Duty: Modern Warfare: Reflex" ise Treyarch tarafından geliştirildi ve 10 Kasım 2009'da satışa sunuldu. Yoğun istek üzerine oyun, 25 Mayıs 2010'da Xbox Live üzerinden tekrar satışa sunuldu.

Oyunun standart versiyonunun yanında koleksiyon baskısı da piyasaya sürüldü. Koleksiyon Baskısı; oyunla birlikte, "Great SAS Missions" adında, eski SAS üyelerinin bulundukları görevlerle ilgili arşivleri içinde barındıran, 168 dakikalık belgesel filmi içeren bir DVD ile sunuldu. Bunun yanında DVD'de; oyunun yapım aşaması, yapımcıların oyunu geliştirirken izledikleri adımlar, posterler, oyun içi resimler ve çizim çalışmaları yer almaktaydı. Önceleri sadece Amerika Birleşik Devl