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。

ニューヨークの建設現場で大爆発が起こった。ブロイルズは、現場で発見されたシリンダーの調査をオリビアたちに命じる。その怪しげなシリンダーは、周囲が崩壊しているにもかかわらず無傷なままだった。捜査を始めるビショップ博士と、しぶしぶのピーター。オリビアは一連の事件に信じがたい共通点があることに気づく。それは、いつ現われるとも知れないその謎の物体が鍵を握っているかのように見えた｡

電気系統に異常をもたらす特殊な能力を持った男が現れた。一見ごく普通の男だったが、やがて、人命に関わる大事件を引き起こしてしまう。３人は、この奇怪な事件の調査を開始する。一方、まさかの人物が現れ、思わず息をのむほどの激しいショックを受けるオリビア。そしてビショップ博士は、かつての研究を思い出し、伝書バトを使って事件を解決しようとする。

奇病を患う女性が行方不明になった。数週間後、マサチューセッツ州の郊外に姿を現すが、彼女と居合わせた人々は皆、ひどく苦しみ、死亡してしまう。そして現場からは危険レベルの放射能が検出された。この一件は、人体を使った違法な投薬実験や、それより邪悪な陰謀を暗示しているかのように思われた。一方、ニーナ・シャープとある取引をするピーター。また、オリビアの過去の断片も明らかになる

この世のものとは思えない謎の生物が、ＦＢＩ捜査官の臓器に寄生し、死の危険が迫る。一刻を争うこの事態は、“パターン”との関係が極めて強く疑われた。オリビアは、ある服役囚に会うため、至急ドイツに飛ぶ。この男こそ、さらに巨大な脅威の詳細を知る人物だった。一方、ビショップ博士とピーターは、オリビアを助けようと、死亡した男の脳波を探る。

音楽の才能を持つ子供が連続誘拐犯にさらわれ、誘拐の現場では、光の点滅がしばらく続いていたことが確認された。それを知った博士は以前、収容されていたセントクレア病院のある患者を思い出す。オリビアは、捜査のため、博士がいったん病院に戻ったほうがいいのではと考えるが、ピーターに猛反対される。そして、ビショップ博士の決断が恐ろしい結末を呼んでしまう。

マッシブ・ダイナミック社の社員が、蝶に襲われ、逃げようとして窓から飛び降りた。オリビアは、スコットとの不思議な交信によって、事件の手がかりを得る。だが、自分の意識から彼を消したいと願う彼女は、以前 彼との交信に使ったタンクに再び入りたいと言い出す。一方 ピーターは、自分がボストンにいることを、かつての友人や現在 敵対している人物たちに知られてしまう。

連続銀行強盗事件の捜査中に、容疑者の一人が金庫室の壁に閉じ込められた状態で発見された。まるで、壁にのみ込まれたような姿に衝撃を受ける３人。ビショップ博士は強盗たちが、物理法則に反する手段を手に入れたのだと悟る。さらに驚くことには、彼らは博士が所有するある物を奪おうと狙っていた。捜査は進展するものの、謎は深まってゆく。そして、ある人物の身に究極の危機が迫っていた。

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。

車のセールスマンが死亡し、その周りにべたつく液体が残されるという事件が発生。他の州でも同様の殺人事件が起こっていた。ビショップ博士はその液体が脳の構成成分と関係していることに気づく。次々と犠牲者が増えるなか、人間の脳を液化した方法を突き止めようとする３人。そして、ついに被害者の共通点を見いだす。一方、オリビアは、大切な人が危険にさらされ、恐怖を感じていた。

フリンジ・チームは、新たに起きた国際線旅客機の事件を調査していた。旅客機の墜落現場では奇妙な残留物が発見され、またしても謎のウイルスが原因かと思われた。ある人物の記憶から有力な手がかりを得るチームだったが、事件の全体像や脅威の核心に迫ることができない。限られた選択肢と情報不足という苦しい状況で、オリビアとピーターは、潜入捜査を余儀なくされる。

オリビアは、脱獄したジョーンズの件でドイツ人の捜査官から質問を受ける。一方、フリンジ・チームは、“顔のない死体”の事件を追っていた。被害者は、目や口など、顔の開口部が、突然ふさがり死亡していた。ドイツ当局は、ジョーンズとこの不吉で不可解な事件との関連性について知るため、オリビア、ピーター、ビショップ博士に協力を求めた。捜査が進むなか、オリビアに試練が訪れる。

取り壊し作業をする建物から、しゃべらない男の子が発見された。その子は、地下に独りで暮らしていたようだ。捜査を開始するフリンジ・チームと、その子と会話以外の方法で関係を築いていくオリビア。一方、恐ろしい連続殺人犯が再び現れる。犯人は、自分の手口を世間に見せつけ、自らの“芸術性”を誇示していた。オリビアとチームは、連続殺人犯の新たな凶行を防ごうと必死になる。

ある研究所に侵入した動物愛護の活動家たちが、無残な死体となって発見された。活動家の予測に反して、すさまじい食欲の獣（けもの）が牙をむいたのだ。科学の申し子であるこの獣は、ライオンの身体、ワシのかぎ爪、毒ヘビの牙、サイの皮膚、ヘビの尾を備えた化け物だった。そして、チャーリーまでもが襲われてしまう。この深刻な事態に、ビショップ博士は自らの過去と獣に真剣に向き合わねばならなかった。

脊髄液を抜かれて殺される事件が発生した。フリンジ・チームが捜査を開始するが、被害者は増え続ける。やがて捜査線上に、ある科学者の名前が浮上する。それは、テロリスト組織との関係が疑われる人物だった。チームは、犯人の正体と殺人の動機を知り、衝撃を受ける。さらに同様の殺人が次々と起こり、一刻を争う事態に。オリビアたちは何とか犯行を食い止めようとするのだが…。

別の場所で起こっている出来事を、あたかも自分の目の前で見ているような体験をしたオリビア。その頃、女性が体から火を噴いて死亡するという事件が起こる。この件を調査していたオリビアは、自分が見たデジャヴュのような光景から事件を解決しようと試みる。一方、あるテロリストに関わる重要な情報を語り始めるビショップ博士。そして、ピーターは事件の意外な真相に迫っていく。

フリンジ・チームと密接な関係を持つ人物が突然、襲われた。さらに、テロリストのジョーンズが再び現われ、ビショップ博士は不可解な失踪を遂げる…。これまでのさまざまな疑問に答えが見つかり、検証され、個々のきずなが試される時が来た。オリビア、ピーター、ビショップ博士を取り巻く謎の事件の詳細も明らかになってゆく。そして、ついに謎の人物、ウィリアム・ベルが姿を現す。