Rien ne va plus à la Fringe Division : le FBI menace de leur couper les fonds pour manque de résultats concrets, et l'agent Dunham a disparu... Au même moment, un violent accident a lieu en ville, mais en apparence, seul une des voitures avait un conducteur... Qui prend la fuite au plus vite. A côté de cela, Walter prépare l'anniversaire de Peter...

Le trio d'enquêteurs se rend en Pennsylvanie pour tenter d'élucider des cas de disparitions inexpliquées. Le suspect principal est un ancien médecin qui a perdu sa femme et son enfant il y a dix-sept ans. Parallèlement, Olivia accepte de consulter un thérapeute peu ordinaire recommandé par Nina Sharp...

Des soldats polymorphes s'attaquent à des centres de cryogénisation. En autopsiant un des leurs, tué par un gardien de sécurité, Walter découvre que celui qui s'en était pris à Olivia n'est pas mort. Il trouve aussi le moyen de faire ressurgir chez Olivia des souvenirs avant son accident de voiture. Elle revoit alors le déroulement de sa rencontre avec William Bell.

A Seattle, un homme s'en prend à son patron car il est convaincu que c'est un monstre à cornes, aux intentions malfaisantes. Cet événement étrange conduit l'équipe à traverser le pays pour tenter d'en savoir plus sur l'agresseur et sa victime. Plusieurs cas similaires sont rapidement signalés. Les premiers éléments incitent les agents à s'interroger sur un lien possible avec les rêves des protagonistes. Alors qu'il recherche de nouvelles informations, Phillip Broyles rencontre Nina Sharp. En l'interrogeant, il trouve de nouveaux indices qui mènent l'équipe vers une piste vraiment inattendue...

Une affaire suivie par l'agent Broyles il y a quatre ans refait surface : une ombre mystérieuse tue et réduit en cendres ses victimes. Un cosmonaute, revenu d'une mission spatiale, dans le coma serait à l'origine de ce phénomène. Seul le déchiffrage d'une formule chimique très complexe mettrait fin aux meurtres...

Le fils d'un des chercheurs de Massive Dynamic a disparu. Il semble avoir été enlevé par deux vendeurs de voitures d'occasion. Les policiers que le trio rencontre connaissent tous une mort violente. Pourrait-il s'agir d'une forme extrême de suggestion hypnotique ? La situation se complique quand on découvre que l'adolescent contrôle les autres et lorsqu'il enlève Peter...

Une jeune femme est enlevée sans raison apparente par un homme chauve au costume rétro qui ressemble à s'y méprendre à l'Observateur. Olivia et Peter se rendent chez Massive Dynamic où un jeune chercheur leur confirme que ces étranges individus surveillent les humains depuis la nuit des temps.

Un navire marchand en provenance de Chine prend feu avant d'être mis à quai. Certains des passagers sont retrouvés morts sur le littoral, infestés de vers géants. Pendant que Walter étudie ces parasites, Olivia doit intercepter le prochain bateau et trouver à qui profite le crime avec l'aide de Peter.

Le patient d'un Hôpital psychiatrique se réveille miraculeusement sain d'esprit après que des mystérieux visiteurs lui aient ouvert le crâne. Au fur et à mesure que l'enquête progresse, Olivia et son équipe finissent par réaliser que la véritable cible de cet homme n'est autre que Walter Bishop...

Une adolescente revient à la vie quelques minutes après avoir été déclarée cliniquement morte. Appelé à se pencher sur son cas, Walter soutient l’hypothèse que son corps est habité par l’esprit d’un officier de la marine américaine porté disparu.

Un enfant se transforme subitement sous les yeux d'un policier. Une heure après, l'homme et deux de ses collègues sont assassinés et le jeune garçon a disparu. Olivia et toute son équipe partent enquêter à Edina, une petite ville où l'on entend un mystérieux bourdonnement et où tous les habitants cachent un lourd secret.

Un homme arrive dans des bureaux. Personne ne le connaît. Il commence à saigner du nez quand, soudain, il s'effondre. Les veines de son visage explosent, laissant s'échapper du sang. Olivia et Peter se rendent immédiatement sur les lieux. Le coursier, qui était dans l'ascenseur avec la victime, se met à présenter les mêmes symptômes. Il s'agit d'une contagion. Olivia et Peter se retrouvent coincés dans l'immeuble avec les autres employés et le virus inconnu.

Lors d'un mariage, certains invités meurent mystérieusement asphyxiés. L'équipe d'Olivia mène l'enquête et Walter découvre que l'arme responsable de ces décès est une toxine programmée pour cibler certains individus dotés de certains caractères génétiques. Peter apprend avec stupeur que c'est son grand-père, le professeur Robert Bishof, qui a créé cette toxine en travaillant avec des scientifiques nazis.

Olivia et ses collègues se rendent à New York où un séisme vient de se produire. Walter reconnaît dans les décombres d'un gratte-ciel les signes d'une fusion avec le monde parallèle. Afin de prévenir un autre incident, il décide de retourner à Jacksonville avec Olivia sur les lieux de ses premières expérimentations sur elle.

Walter se rend chez Olivia pour essayer de lui expliquer pourquoi Peter vient de l'autre monde. L'affaire remonte à l'année 1985. Peter était gravement malade et Walter avait conçu une fenêtre pour observer l'autre côté afin de voir si son double, qui bénéficiait des avancées technologiques de son monde à lui, allait réussir à trouver un remède pour sauver son propre fils, lui aussi atteint de la maladie génétique dont Peter souffrait.

Un homme parvient, par simple contact, à transmettre un cancer foudroyant à des personnes qu'il a connues quand il était enfant. Olivia découvre que toutes les victimes ont un point commun : elles ont été les cobayes de Walter Bishop et William Bell lors des expériences qu'ils ont menées sur le Cortexiphan.

Olivia, Peter et Walter enquêtent sur les décès des passagers d'un train. Le suspect principal est un ancien professeur d'astrophysique du M.I.T, Alistair Peck, spécialisé dans l'étude des voyages temporels. Mais alors que celui-ci est appréhendé par les forces de police, il disparaît une première fois...

Quand des traces de soldats métamorphes font surface, Olivia et son équipe tentent de les retrouver et d'empêcher Newton d'accomplir son plan. Walter essaie de dire la vérité à Peter sur ses origines, mais il ne trouve pas le bon moment...

Quand Peter disparaît, Walter cherche la consolation dans la marijuana. Dans cet état d'esprit, il garde Ella, la nièce d'Olivia, avec Astrid. Walter lui raconte un conte de fée sur un gentil inventeur, un coeur de verre volé, un détective cherchant le vrai amour et un mystérieux groupe d'hommes...

Peter s'arrête dans une petite ville de l'Etat de Washington pour prendre une part de tarte et un café. Il fait la connaissance de Krista, une charmante serveuse qu'il invite à son motel quand elle aura terminé son service. Le lendemain, la jeune femme a disparu. Peter s'associe au shérif Matthis pour la chercher. Lorsqu'il découvre le cadavre de Krista, le crâne ouvert duquel a été extrait le lobe temporel, Peter est convaincu que Newton et les polymorphes sont à sa poursuite...

Walter se souvient enfin de ce qu'un Observateur lui avait dit : il ne devait jamais laisser Peter retourner dans son monde à lui, faute de condamner toute l'humanité. Face au danger, Olivia décide d'aller le chercher. Grâce à l'aide de trois autres anciens cobayes traités au cortexiphan, ils réussissent à traverser avec Walter. Une fois sur place, ils se rendent à Central Park où ils ont donné rendez-vous à William par l'intermédiaire de Nina. Mais la section spéciale de cet univers-ci débarque. Le double d'Olivia tire sur Walter et le blesse. Il s'effondre à proximité d'un hôpital. William finit par retrouver Olivia qui observe son double dans son appartement...

Olivia et William parviennent à retrouver Walter. Ils s'enfuient avec lui. Pendant que les deux hommes mettent au point un appareil pour que Walter, Peter et Olivia puissent repartir dans leur monde, cette dernière part à la recherche de Peter. Elle réussit à l'approcher en se faisant passer pour son double. Elle le convainc de rentrer avec elle, mais la section spéciale les suit et leur tombe dessus alors qu'ils s'apprêtent à repartir. Le double d'Olivia, sur ordre de Walterego, réussit à prendre la place d'Olivia dans le groupe, à l'insu de tous. Olivia est enfermée dans une cellule dans l'autre monde pendant que son double commence sa mission d'infiltration...