El Vuelo 627 aterriza en el Aeropuerto Internacional Logan; los pasajeros y la tripulación están todos muertos. El FBI y el Departamento de Seguridad Interior buscan respuestas con la ayuda de un científico que estuvo recluido por mucho tiempo.

Una mujer concibe y desarrolla hasta el parto, un embarazo que en total dura unos pocos minutos, muriendo en el proceso. El bebe muere a las tres horas de nacer, alcanzando el desarrollo de un hombre de 80 años. Esto lleva a los investigadores a rastrear la existencia de experimentos ilegales en manipulación genética con humanos.

Los cadáveres de todos los pasajeros de un autobús están atrapados como insectos en ámbar dentro del vehículo. La investigación lleva hacia un hombre que cree que el diablo le está hablando, aunque en realidad está recibiendo imágenes en su cabeza que son transmitidas ha causa de haber participado en experimentos conducidos años atrás por el Dr. Walter Bishop.

La aparición de un misterioso cilindro genera comportamientos extraños y revelaciones sorprendentes. Un hombre calvo y sin cejas que ha sido visto en episodios previos habla por primera vez. Walter le cuenta a Peter que en su niñez ocurrió un episodio casi fatal para él.

Cuando explota la cabeza de una joven mujer en un comedor, causando la muerte de todos los presentes, el equipo científico intenta determinar la causa. Descubren que otra mujer ha sido transformada en una peligrosa arma por un inescrupuloso David Esterbrook de una compañía farmacéutica, y logran salvarla antes de que sea remitida a su destinatario. Olivia Dunham desclasifica información crítica acerca de su infancia a Peter Bishop.

Cuando un extraño parásito de apariencia extraterrestre se adhiere misteriosamente a los órganos internos de un agente del FBI, Olivia Dunham viaja a Alemania para entrevistar a un prisionero que puede ser capaz de salvar su vida. Mientras tanto, Peter y Walter intentan ayudarla, grabando las ondas mentales de un cadaver.

Después de que un niño prodigio en música es raptado por un secuestrador serial, se descubre que la secuencia de unas luces especiales aparece al momento de los secuestros, con lo que Walter establece una conección con un ex colega que se encuentra internado en el Hospital Neuropsiquiátrico Saint Claire. Muy al pesar de Peter, Olivia convence a Walter de regresar al hospital. La detemrinación de Walter para ayudar termina generando aterradoras ramificaciones.

El equipo investiga la muerte de un empleado de Massive Dynamic, que salta de una ventana después de ser atacado por las mariposas. Cuando la interacción de Olivia con el agente Jhon Scott lleva a interrupciones en el caso, se exige que se ponga de nuevo en el tanque de privación sensorial para eliminar sus recuerdos de su conciencia. Un antiguo amigo y algunos enemigos actuales descubren que Peter está de vuelta en Boston.

Cuando un ladrón bancario se encuentra atascado en la pared de una bóveda que él está robando, el equipo se une para investigar. Walter comprende que los ladrones están buscando el equipo que él ha creado y ha escondido. Un miembro del equipo se embosca y es tomado cautivo.

El FBI y un cada vez más desesperado Peter buscan a Olivia que ha sido secuestrada, a pesar de que el hombre que encabeza la investigación es el responsable de su secuestro. En tanto, un supervirus de la gripe mata a dos prestigiosos epidemiólogos.

Olivia, Walter y Peter investigan la muerte de un vendedor de automóviles que ha sido encontrado en una piscina de un líquido viscoso, al igual que otro hombre en otro lado del país. Cuando Walter descubre que ese líquido es materia cerebral, su objetivo será encontrar cómo es posible hacer líquido un cerebro. A medida que los muertos aumentan, la investigación mostrará un hilo común que vincula a las víctimas de formas inimaginables. Olivia, por su parte, se enfentará al hecho de que alguien a quien quiere puede salir afectado.

La División de Fringe se enfrenta a otro incidente ocurrido en el interior de un avión. Tras un accidente, se encuentran con unos restos muy peculiares. Las pistas prometen respuestas, pero hay algo más complejo y misterioso detrás de lo ocurrido.

Olivia es interrogada por agentes alemanes sobre su 'relación' con David Robert Jones, un prisionero que escapó y que ella interrogó hace meses y que ahora vive en los Estados Unidos. Mientras, La División Fringe investiga un extraño caso en el que las víctimas mueren sin rostro a causa de una toxina letal que provoca el cierre de sus orificios. Al mismo tiempo, la División Fringe investiga un amenazante caso en el que las víctimas mueren sin rostro, tras un repentino cierre de sus orificios. Con pocas pistas y muchas preguntas, las autoridades alemanas recurren a Olivia, Peter y Walter para ayudarles con el regreso del Sr. Jones ya que los misteriosos acontecimientos y él parecen estar relacionados.

Olivia traba amistad con un misterioso muchacho que vive solo en el metro. Mientras, un asesino en serie reaparece en la ciudad.

Cuando un grupo de activistas de los derechos de los animales asaltan un laboratorio para investigar, uno de los animales se escapa y se destaca una masacre, dejando una multitud de cuerpos mutilados a su paso. Walter deberá enfrentarse a ella.

Olivia tiene un sueño en su apartamento de Boston que está ocurriendo al mismo tiempo y en la realidad en la Estación Central de Nueva York. Sacudidos por la extraordinaria coincidencia, Olivia, Peter y Walter investigan el suceso.

La División Fringe se enfrenta a un insólito caso en el que se acumulan cuerpos mutilados sin líquido espinal. La investigación les dirige a un científico con posibles lazos con la célula bioterrorista de ZFT.

Olivia está empezando a experimentar extrañas visiones premonitorias. Mientras investiga el sorprendente caso de una mujer que ha sufrido una combustión espontánea, Olivia deja de lado su cautela y empieza a dejarse guiar por sus inexplicables visiones.

Alguien muy cercano a la División Fringe es atacado repentinamente. Además, regresa el bioterrorista David Robert Jones y Walter desaparece sin explicación alguna.