한 국제선 여객기가 승객들이 모두 사망한 채로 보스턴 로건 공항에 착륙한다. FBI 요원 올리비아 더넘은 태스크 포스의 일원으로 수사에 참여한다. 동료 요원 존 스콧이 수사 중에 목숨이 위험해지자, 더넘은 아인슈타인의 뒤를 이을 천재로 불리는 월터 비숍 박사에게 도움을 청한다.

올리비아와 월터, 피터의 어색한 동행이 시작되고 얼마 후, 한 여성이 몇 시간 만에 임신부터 출산까지 겪은 뒤 사망하는 사건이 발생한다. 여성이 낳은 아이는 급속도로 성장하더니 고작 몇 분 만에 80세까지 노화해 목숨을 잃는다.

이상 현상을 전문으로 수사하는 프린지 부서의 세 사람은 출근길 버스에서 마치 호박에 갇힌 벌레처럼 승객들이 굳은 채로 사망한 사건을 맡게 된다.

뉴욕시 공사 현장에서 큰 폭발이 일어나자, 브로일스는 프린지 부서의 세 사람에게 현장에서 멀쩡한 상태로 발견된 수수께끼의 실린더를 조사할 것을 지시한다.

전자 기기를 제어하는 능력을 지닌 한 남자로 인해 무시무시한 참사가 발생하고, 프린지 부서의 세 사람은 그 남자의 능력 뒤에 숨겨진 비밀을 파헤친다.

희귀병을 앓는 여성이 실종된 지 몇 주 만에 매사추세츠 교외에 나타나더니, 주변에 있던 사람들을 고통스러운 죽음으로 몰고 간다.

더넘과 동료들은 내장에 알 수 없는 기생충이 들러붙어 죽어 가는 FBI 요원을 살리기 위해 동분서주한다.

음악에 천부적인 재능을 보이는 소년이 연쇄 납치범에게 잡혀 가고, 월터는 목격자로부터 불빛 이야기를 듣고 세인트 클레어 병원에서 만난 친구를 떠올린다.

매시브 다이내믹의 직원이 나비들로부터 공격당한다는 환각에 사로잡혀 투신하는 사건이 발생하자, 프린지 수사팀이 조사에 나선다.

연쇄 은행털이 사건을 수사하던 올리비아, 월터, 피터는 알 수 없는 이유로 금고 벽에 낀 채 죽어 있는 일당 한 명을 발견한다.

수상쩍은 FBI 요원 미첼 러브가 독일 감옥에 갇힌 데이비드 로버트 존스의 비현실적인 탈옥 및 올리비아의 불안한 납치를 계획한 후, 한층 커다란 위협의 조짐이 등장하기 시작한다.

올리비아, 월터와 피터는 끈적한 웅덩이에서 발견된 자동차 영업 사원의 죽음을 수사한다. 월터는 끈적한 액체의 정체가 뇌 물질임을 밝히고, 세 사람은 살인자가 인간의 뇌를 액화한 방법을 알아내려 한다.

독일 요원이 올리비아에게 현재 미국에서 거주 중이며 그녀가 몇 달 전 신문한 탈옥수 데이비드 로버트 존스와의 관계를 묻는다. 한편, 프린지 부서는 피해자들의 안면부 구멍이 갑작스레 막히며 얼굴이 사라진 채 사망하는 위협적인 사건을 수사한다.

건물 철거를 몇 초 앞두고, 홀로 지하에서 살아 온 의문의 말 없는 아이가 발견된다. FBI 프린지 부서가 수사에 나서자, 소년은 올리비아 더넘 요원과 무언의 교감을 형성한다.

어느 연구실을 뒤지던 동물 보호 운동가들은 우리에 갇힌 동물이 흉포한 성향을 드러내며 뜻밖의 상황을 마주한다. 시신을 기괴하게 훼손하는 유전자 조작 짐승이 찰리를 공격한다.

올리비아는 자신의 현실이 완전히 바뀔 수 있음을 깨닫는다. 뉴욕의 상징적인 그랜드 센트럴 역에서 자살 사건이 발생하고, 동시에 보스턴에서 잠든 더넘 요원은 꿈속에서 그 장면을 목격한다.

프린지 부서는 척수액이 사라진 채 심각하게 훼손된 시신이 연달아 발견되자 수사에 나선다. 수사 결과 ZFT 생물 테러 조직과의 접점이 의심되는 과학자를 찾아낸 그들은 살인자의 정체와 동기를 깨닫고 충격에 빠진다.

올리비아는 맨정신에 꿈을 꾸며 현실에 존재하지 않는 정교한 환영을 목격한다. 자연 발화로 추정되는 한 여성의 충격적인 사건을 수사하던 중, 올리비아는 대담하게도 의문투성이인 자신의 환영을 한층 더 깊이 탐구한다.

프린지 부서와 밀접하게 관련 있는 어느 인물을 노린 기습 공격, 생물 테러범 데이비드 로버트 존스의 귀환과 월터의 기묘한 실종을 배경으로 수많은 비밀이 드러나는 극적인 첫 시즌 마지막 회가 펼쳐진다.