Lincoln Lee se junta à equipe enquanto eles investigam o caso de um metamorfo em que Lee está pessoalmente envolvido.

Broyles alternativo e e sua equipe chamam as suas duplicatas deste lado para ajudar para pegar um assassino em série. No entanto, quando eles recrutam a duplicata do assassino deste lado, um professor de psicologia forense, a equipe é forçada a considerar se deve colocar civis em risco.

Os cadáveres de dois jovens são encontrados em estado avançado de decomposição após apenas algumas horas depois de seu desaparecimento. A equipe de Fringe investiga e descobre uma figura amorfa que começa a fazer mais vítimas. O estado mental de Walter se torna cada vez mais distraído.

Olivia descobre uma força perigosa que pode estar ligada a experiências passadas com Cortexiphan. A investigação força Walter a sair do laboratório, pela primeira vez em anos e viajar para a Massive Dynamic para examinar arquivos de caso antigo. Walter luta com seu estado emocional enquanto confronta demônios de seu passado.

Os metamorfos translúcidos retornam e, enquanto os eventos intensificam, o ex- cientista da Massive Dynamic, Malcolm Truss, se envolve. Em outro lugar, Nina faz uma visita a Walter no laboratório.

A equipe procura por um padrão nas anomalias do trágico ciclo temporal; um engenheiro elétrico (Stephen Root), sua esposa (Romy Rosemont), e um professor se envolvem com a investigação.

Quando um homem morre misteriosamente por uma força invisível, o seu corpo rapidamente começa a transformar-se em um branco fantasmagórico. A equipe de Fringe descobre que este não é um incidente isolado, e não há evidência que liga o predador a alguém que faleceu com uma desordem genética desconhecida. Enquanto isso, Olivia sofre de enxaquecas.

Olivia e Lincoln tomam medidas drásticas para lidar com a ameaça iminente dos metamorfos translúcidos, ao mesmo tempo ajudam Peter encontrar seu caminho de casa. Algo ocorre "do outro lado" que não acontecia, desde que os universos se ligaram, no final da última temporada.

A divisão Fringe alternativa enfrenta um novo adversário em uma corrida contra o tempo.

Olivia lida com uma grave advertência dos Observadores; Peter e a equipe rastreiam uma menina com a capacidade de prever a morte.

Astrid recebe uma visita inesperada, enquanto Peter e Olivia investigam um assassino usando uma toxina que ainda não foi inventada. Ambos os universos se colidem em um caso que ultrapassa os limites do que é possível.

Olivia, Peter e Walter enfrentam um evento terrível, que os deixam incapazes de escapar de uma cidade.

Quando a equipe Fringe investiga um doente mental que parece estar ligado a uma série de assassinatos, Olivia começa a se lembrar de acontecimentos que viveu com Peter. Walter e Lee fazem uma descoberta relacionada à Massive Dynamic, e Olivia e Nina acabam capturadas e presas.

David Jones tortura Nina e Olivia. Walter cuida do ferimento de Setembro na tentativa de obter informações antes que os outros Observadores interfiram. Peter consegue comunicar-se com Setembro e descobre mais sobre seu destino.

Após recentes acontecimentos emocionais e revelações chocantes, Peter considera suas opções; um homem está disposto a tudo para descobrir um modo de sintetizar a química do amor.

As lembranças confusas de Olívia resultam em avaliações psicológicas no FBI a afastando da divisão. Sem a agente, Lincoln e Peter investigam um caso bem familiar para Peter em sua linha temporal, mas com um desfecho um tanto diferente. Durante um voo, o passageiro Michael Bommer carregava um vírus que o transformou numa criatura medonha, a diferença é que desta vez o avião não caiu e Bommer só se transformou após o pouso, causando destruição e morte. Assim, a divisão passa a investigar o caso sob outra ótica. Com a ajuda de Olívia, sem que Broyles saiba, eles descobrem que pessoas estão sendo recrutadas e usadas deliberadamente na criação de uma nova espécie mutante. No fim do dia, a agente Dunhan saberia se estava pronta para voltar à ativa ou não.

Lincoln, se sentindo sozinho deste lado, tem a oportunidade de ajudar a equipe Fringe do outro lado, chegando lá se encontra diante de um caso que poderá auxiliá-los a encontrar uma pista sobre os transmorfos, porém uma pessoa da equipe não consegue sobreviver.

Walter viaja para o universo alternativo para auxiliar na investigação de um evento Fringe com vínculos entre os dois universos. Enquanto isso, David Robert Jones revela seu próximo alvo.

Conforme a história salta adiante para 2036, os Observadores e a equipe Fringe se envolvem em uma batalha que vai mudar o jogo.

As equipes de ambos os lados lutam por uma causa em comum e descobrem um desenvolvimento surpreendente ligado às crianças do Cortexiphan.

Um misterioso evento Fringe leva as pessoas à combustão espontânea e Walter é forçado a revisitar seu passado doloroso. Enquanto isso, a equipe Fringe enfrenta David Robert Jones para salvar o mundo, ou os mundos. -Participação especial de Rebeca Mader como Jessica Holt.

No clímax do final da temporada, o time Fringe é levado ao limite enquanto tentam desesperadamente evitar o evento catastrófico que ameaça as vidas de todos.