No final da 1ª temporada, Olivia fez uma viagem intrigante a um universo paralelo para se encontrar com o fundador da Massive Dynamic, William Bell. A 2ª temporada começa com o seu regresso dessa realidade alternativa, enquanto Peter, sem saber que está numa corrida contra o tempo, procura informações sobre a visita de Olivia. Walter volta ao laboratório para pesquisar mais sobre estranhos eventos e comemorar o aniversário de Peter.

A equipa viaja para a Pensilvânia a fim de investigar um tunel subterrâneo repleto de restos humanos...

Olivia e Walter correm contra o tempo para investigarem o bombardeamento que ocorreu numa estação de comboios. Walter descobre algo fora do comum a respeito dos corpos.

Dunham, ainda a recuperar da sua traumática visita à realidade alternativa, recebe a ajuda de Walter para recordar o que aconteceu. Enquanto isso, a equipa investiga uma série de assaltos que estão ligados a mutações...

Um homem ataca o seu patrão depois de um sonho perturbador e a equipa viaja até Seattle para investigar. Enquanto isso, Broyles precisa de se encontrar com Nina Sharp.

A equipa investiga as circunstãncias da morte de alguma spessoas que ficaram transformadas em cinzas por causa de descargas eléctricas poderosas e acabam por descobrir uma ligação ao passado de Broyle.

A Divisão Fringe investiga um seqüestro incomum com ligações a Massive Dynamic.

A equipe se fecha sobre o observador misterioso após investigar um caso de abdução bizarro, em Boston, MA.

A equipe do Fringe investiga corpos com criaturas ligadas a ele. Olivia, Peter e Broyles descobrem que o caso está ligado a uma organização perigosa.

A equipe do Fringe investiga uma instituição mental depois que um paciente faz uma cirurgia no cérebro e começa a mostrar uma melhoria, apesar de ter seu cérebro exposto. A agente Dunham faz uma descoberta depois de ver imagens das fitas de segurança.

A equipe do Fringe viaja para a cidade de Edina para investigar um encobrimento e são recebidos com hostilidade pelos moradores. Eles descobrem que muitos dos residentes estão desfigurados, mas conseguiram esconder sua deformidade ... e não medem qualquer esforço para garantir o segredo.

Ao investigar um caso em um edifício de escritórios onde o sangue de um homem estourou literalmente de suas artérias e veias, Peter e Olivia ficam presos em uma quarentena do CDC, quando se descobre que o sangue transporta um agente patogênico mortal.

Matadores despercebidos colocam em um casamento uma toxina que atinge indivíduos específicos e, Walter descobre que o caso pode estar amarrado a um galho na árvore da família do Bispo.

Um homem solitário sobrevive a um tremor que sacode um prédio de Manhattan em seu núcleo, levando à divisão Fringe a pensar que ele é do "outro lado". Walter conclui que o terremoto foi causado por algo que ele e William Bell descobriram anos antes e eles vão a Jacksonville, o local de experiências anteriores da dupla, a fim de evitar um novo desastre, obrigando Olivia a enfrentar seu passado misterioso e traumático.

Walter relembra dos acontecimentos de 1965 a Olivia, incluindo como Peter acabou onde ele está hoje e o que aconteceu com a mãe do menino, Elizabeth Bishop.

Quando uma mulher perfeitamente saudável é encontrada morta de uma doença que ela nunca teve, a equipe Fringe investiga a origem dessa condição inexplicavelmente fatal antes que isso atinja mais vítimas inocentes. Enquanto isso, Olivia se esforça para manter o segredo de Walter de Peter, e sua lealdade a Peter é testada enquanto o tempo passa.

Uma série de mortes misteriosas em um metrô leva a equipe Fringe a investigar um homem poderoso. Enquanto isso, Peter percebe que Walter está agindo de modo suspeito.

O assassinato de dois adolescentes por metamorfos coloca a equipe atrás de Newton e seu povo, uma trilha que leva a Massive Dynamic. Enquanto isso, Peter diz a Olivia sobre sua família, e Walter tenta lembrar que memórias Newton tirou dele.

Walter tira sua mente de más notícias contando um conto de fadas musical, com alguns rostos conhecidos, para a sobrinha de Olivia, Ella.

Enquanto Peter e um xerife local investigam assassinatos ligados a Newton, Walter está preocupado de que ele possa ser mandado de volta para St. Claire, e alguém novo chega da outra Terra.

Walter e Olívia descobrem que Peter concordou em voltar com seu pai real, o Walternativo, para sua própria dimensão. Um observador deixa um documento indicando que Peter é o assunto principal de uma profecia, que predizem ele será o responsável pelo fim do mundo. A fim de alertar Peter sobre as verdadeiras intenções de Walternativo, a divisão Fringe se junta á Massive Dynamic para descobrirem uma maneira de atravessar para o "outro lado". Eles tem a ideia de usar a habilidade de Olivia, junto com outras três cobaias dos testes com Cortexiphan que ativaram suas habilidades (a partir de episódios anteriores): Nick Lane, Sally Clark e James Heath. A equipe composta de Walter, Olivia, Nick, Sally e Heath conseguem atravessar para o outro lado, mas Heath morre pouco depois da chegada, enquanto o resto conseguiu escapar da divisão Fringe-alternativa quando eles usam sua tecnologia para descobrir de sua chegada. É revelado que Walternativo é o secretário do Departamento de Defesa sobre o Outro Lado. Enquanto Walter e a equipe vão encontrar com William Bell no Central Park, Peter se encontra com sua mãe verdadeira. Walter se separa da equipe quando eles acreditam que Bell os traiu e informou á divisão Fringe-alternativa sobre sua localização. Nick e Sally são mortos, mas não antes de queimar gravemente o investigador principal da divisão Fringe-alternativa, Lincoln Lee. Walter é baleado e acaba no hospital. Olivia segue sua "cópia" e encontra Bell, que insiste que ele nunca traiu, e diz que Walter está em apuros. Walternativo é visto saindo com o componente final do dispositivo do qual Peter fará uma parte, para destruir o mundo.

Walter e Olivia visitam o "outro lado", e são obrigados a fazer sacrifícios pessoais para evitar a colisão dos dois universos.