ボストン、ローガン空港に着陸した国際線旅客機 627便の乗客、乗員すべてが機内でおぞましい死体となって発見された。FBI捜査官のオリビア・ダナムが捜査に加わるが、相棒のスコットが重傷を負い、瀕死の状態になってしまう。彼を救うため“アインシュタインの後継者”と呼ばれるウォルター・ビショップ博士とその息子ピーターを探し出し、協力を頼むのだが…。一方、捜査線上に浮かんだのは、巨大企業マッシブ・ダイナミック社とその重役ニーナ・シャープだった。やがてオリビアは、今回の事件で起きたことが、さらなる巨大な脅威の一端に過ぎないと知るのだった。

ある女性が謎の死を遂げ、オリビア、ピーター、ビショップ博士の奇妙な連携による捜査が始まった。女性は妊娠して数時間のうちに出産し、赤ん坊も短時間で80歳の老人になっていた。この現象を解明するため、変わり者の博士がラボで精査を行うことに。博士の息子であるピーターは、不本意ながら博士の“お守り役”となる。一方、オリビアは、マッシブ・ダイナミック社のニーナ・シャープに協力を要請する

バスの車内で、まるで琥珀（こはく）に閉じ込められた虫のように凍りついた乗客の死体が発見された。捜査は、ラボにピアノが欲しいと言い出す変わり者のビショップ博士に翻弄されながらも、やがてある男の存在にたどり着く。男は“パターン”に関わる事件を発生前に予知できたが、そのことで当惑している様子だった。３人は、さらなるおぞましい事件を未然に防ぐため、男から情報を得ようとする。

FBI捜査官でありながら裏の顔を持つミッチェル・ローブ。彼はドイツにいる服役囚ジョーンズを、この世のものとは思えない方法で脱獄させようと画策していた。その頃、オリビアが拉致される事件も起こる。一方、オリビアのかつての敵対者の手によって、“フリンジ・チーム”の正式な見直しが行われることになった。だが、その矢先に疫学者が奇怪な死を遂げる事件が起きてしまう。