Quand un vol international arrive à l'aéroport de Boston et que les passagers et l'équipage sont retrouvés morts, l'agent du FBI Olivia Dunham se voit confier l'enquête. Lorsque son partenaire est grièvement blessé, elle trouve une aide inattendue auprès du Dr Walter Bishop, un scientifique brillant mais fou, et de son fils, Peter. Ils ne tardent pas à découvrir que le drame du vol 627 n'est qu'une infime partie d'une bien plus grande et choquante vérité...

Olivia, Peter et Walter Bishop enquêtent sur la mort étrange d'une femme qui a accouché d'un bébé pour le moins anormal. La femme n'était enceinte que depuis quelques heures, pourtant le bébé était complètement développé et, au bout de quelques heures, âgé de 80 ans...

Roy McComb, un homme qui prétend avoir des visions, prédit l'attaque d'un bus avec un gaz qui solidifierait l'air et asphyxierait les passagers. Alors que sa vision se révèle vraie, Olivia et son équipe demandent de l'aide à Roy pour trouver le responsable de ce massacre...

Un étrange cylindre est retrouvé au milieu des décombres d'un chantier de construction en plein centre-ville de New-York. Le cylindre était au milieu de l'explosion mais est pourtant intact. Olivia et son équipe se rendent sur place pour enquêter...

L'équipe enquête sur un homme qui a la faculté de créer des impulsions électriques et qui se retrouve au milieu d'une série de morts étranges impliquant des appareils électroniques...

Une femme ayant mystérieusement disparue depuis des semaines réapparaît, avec en elle une inexplicable maladie qui cause la mort de toutes les personnes qui l'entoure. En essayant de la retrouver, Olivia voit resurgir certains démons de son passé...

Un agent du FBI se retrouve avec un étrange parasite entourant son coeur et menaçant de le tuer. La seule personne pouvant le sauver est un dangereux terroriste, incarcéré dans une prison en Allemagne: Mr Jones...

Un ancien collègue de Walter à l’hôpital psychiatrique est la seule personne pouvant aider Olivia et son équipe à retrouver un jeune prodige de la musique enlevé par un kidnappeur en série. Ne pouvant lui parler directement, l'équipe n'a d'autre choix que d'envoyer Walter dans l'hôpital où il a été interné pendant 17 ans...

Un employé de Massive Dynamics est si convaincu d'être attaqué par des papillons qu'il en vient à se jeter par la fenêtre pour leur échapper. L'équipe de Fringe est appelée pour enquêter. Bien que la relation inexpliquée d'Olivia avec l'Agent Scott vienne perturber l'enquête, elle est si désespérée de vider sa conscience de tous ses souvenirs qu'elle demande à retourner dans la cuve. Pendant ce temps, les dangers reviennent autour de Peter quand un ancien ami ainsi que ses ennemis actuels apprennent qu'il est de retour à Boston.

L'équipe est appelée sur les lieux d'un cambriolage de banque où l'un des voleurs est retrouvé coincé dans le mur. Walter pense que les voleurs courent après une de ses inventions. Les choses prennent une mauvaise tournure quand les voleurs s'en prennent à un des membres de l'équipe...

Olivia parvient à échapper à ses ravisseurs après avoir subi une étrange intervention médicale, orchestrée par l'agent du FBI Mitchell Loeb. De nouveau au complet, l'équipe enquête sur la mort d'un épidémiologiste renommé, tué par un redoutable virus. Son décès semble lié à l'enlèvement d'Olivia.

Olivia, Walter et Peter se lancent dans une course contre la montre pour retrouver un serial killer qui a le pouvoir de liquéfier le cerveau de ses victimes...

La découverte d'un monstre dans les restes d'un avion qui s'est écrasé amène Walter à penser qu'un dangereux virus mortel pourrait en être responsable. Afin de découvrir l'identité des coupables, Olivia n'a d'autres choix que de se replonger dans les souvenirs et la conscience de l'agent Scott...

Les autorités allemandes interrogent Olivia dans l'espoir de retrouver Mr Jones. Pendant ce temps, Walter et Peter enquêtent sur une mort étrange: un homme a été asphyxié alors que les orifices de son visage se sont tous refermés...

Un enfant sauvage est retrouvé dans les fondations d'un immeuble sur le point d'être démoli. L'enfant semble avoir développé un lien avec un tueur en série qui refait surface.

Alors qu'un suicide est commis à la célèbre gare de Manhattan "Grand Central Terminal", l'agent Dunham est témoin de l'événement en temps réel alors qu'elle est endormie à Boston. Poussée par les circonstances exceptionnelles et extraordinaires de l'accident, Olivia, Peter et Walter mènent l'enquête mais n'arrivent pas à trouver de pistes solides.

La Division Fringe se voit confier une affaire où les corps mutilés dont on a retiré la moelle épinière s'empilent. Alors que l'enquête les mène jusqu'à un scientifique qui pourrait être lié à la cellule bio-terroriste Z.F.T., ils découvrent par surprise l'identité et le mobile du tueur. Quand la fréquence des meurtres se met à augmenter, Olivia, Peter et Walter décident d'employer des mesures désespérées pour y mettre un terme.

Olivia "rêve" alors qu'elle est éveillée et voit des choses qui ne sont pas réellement présentes. Alors qu'elle enquête sur la mort d'une femme par combustion apparemment spontanée, Olivia décide de prendre le risque d'explorer ses visions inexpliquées. Pendant ce temps, Walter remet en question une information clé du Manifeste du Z.F.T., et Peter révèle un secret...

Une personne proche de la division Fringe est attaquée. Le bioterroriste David Robert est de retour. Walter disparaît mystérieusement. Nina demande une faveur à Olivia.