La segunda temporada comienza con el impactante regreso de Olivia desde la desconcertante realidad alternativa, mientras Peter desconoce que compite con una onmipresente fuerza en una carrera contra el tiempo tratando de conseguir información de la visita de Olivia. Walter vuelve al laboratorio para cocinar algo de ciencia marginal y, por supuesto, unas natillas para el cumpleaños de Peter.

Un trabajador de Pennsylvania desaparece de una carretera en construcción y es misteriosamente absorbido hacia un túnel subterráneo en el que se encuentran restos humanos. La División Fringe investiga qué es lo que ha ocurrido.

La agente Dunham, que aún se recupera de su visita traumática a la realidad alternativa, cuenta con la ayuda de Walter para ir recuperando la normalidad poco a poco. Mientras tanto, el equipo investiga una serie de robos.

Olivia, Peter y Walter deben viajar a Seattle para investigar un misterioso incidente relacionado con un hombre que atacó a su jefe porque creía que era una criatura malvada. El equipo explora la conexión entre este incidente y los sueños.

La División Fringe investiga un caso en que las personas se convierten en cenizas por descargas de alta energía. Sorprendentemente, descubren una conexión con el pasado de Broyles.

Un desconcertante secuestro producido en Nueva York lleva a la División Fringe a descubrir una fuerza de inimaginables consecuencias. El misterio y la amenaza aumentan cuando el equipo detecta una conexión entre el secuestro y Massive Dynamics.

La División Fringe esta muy cerca del Observador, o quizás de varios de ellos, cuando investigan una abducción en Boston. Mientras tanto, Walter, Peter y Astrid entran en el laboratorio para analizar una extraña prueba y lidiar con el insaciable apetito de Walter por los merengues.

El equipo de Fringe investiga cuerpos con criaturas creciendo dentro de ellos. Olivia, Peter y Broyles descubren a una peligrosa organización ligada a estos sucesos.

Una institución mental es investigada después de que un paciente fuera operado y empezara a mostrar un sensible incremento de sus facultades mentales. La investigación de las cintas de seguridad revela algo inesperado.

Una adolescente declarada con muerte cerebral se despierta en medio de la operación para extirpar sus órganos ... hablando números en ruso. Cuando la Armada confirma que los números son códigos de lanzamiento nuclear y un oficial desaparecido llamado Rusk los conoce, comienza la búsqueda para el hombre desaparecido.

Un niño es recogido en la carretera por la policia estatal, mientras es llevado a la comisaría sufre una transformación física. Tras enviar el informe del caso, la comisaría es asaltada por un grupo de personas con las mismas deformaciones físicas, matando a los policas y rescatando al niño. El equipo Fringe es asignado para la investigación del caso.

Un hombre comienza a marearse y sus venas explotan. Olivia y Peter llegan a la escena para investigar el caso y descubren un virus mortal que se está expandiendo.

Todos los invitados de una boda se asfixian y el equipo debe investigar cómo fue distribuida la toxina. Walter está convencido de que el suceso tiene relación con la familia Bishop.

Un violento temblor de origen desconocido sacude un edificio de oficinas de Manhattan. Solo sobrevive una persona, lo que hace pensar que no es de este mundo. Walter supone que no se trata de ningún movimiento geológico, sino más bien de algo que descubrió en sus investigaciones con William Bell años atrás.

En un flashback, Walter le explica a Olivia que en 1985 construyó una ventana que le permitió presenciar los eventos de un mundo alterno. En el otro mundo, Walter está trabajando en una cura genética para su hijo.

Una mujer sana, muere de cáncer en cuestión de minutos. Después de más casos en las mismas circunstancias, el equipo Fringe investiga las misteriosas muertes que parecen haber sido transmitidas por contacto, todas las víctimas tienen relación a pruebas con Coretexiphan. Mientras tanto, Olivia trata de tomar una decisión sobre su descubrimiento acerca del orígen de Peter.

Todos los pasajeros de un tren han muerto súbitamente y sus aparatos electrónicos también se han quedado sin batería de repente. Durante la investigación, Peter se da cuenta de que algo no va bien con Walter.

El asesinato de dos adolescentes a manos de unos cambiantes pone al equipo sobre la pista de Newton y su gente, un rastro que conduce a Massive Dynamic. Mientras tanto, Peter revela a Olivia ciertos aspectos sobre su familia.

Para sobrellevar mejor las malas noticias que lo rodean, Walter decide contarle a la sobrina de Olivia, Ella, un cuento de hadas protagonizado por Olivia y el agente Broyles.

Peter se une a un policial local, el sheriff Mathis, para investigar a un asesino en serie que está relacionado con Newton. Mientras tanto, Walter se enfrenta a la posibilidad de volver de nuevo a Santa Clara.

Walter y Olivia visitan el 'otro lado' y se ven obligados a sacrificarse personalmente para prevenir la colisión de los dos universos.

En la segunda parte del final de temporada de dos partes, se harán sacrificios y ambos universos nunca podrán ser los mismos después de que Walter y Olivia visiten el “otro lado”.