Olivia wird bei ihrer Rückkehr aus der anderen Realität schwer verletzt und muss ins Krankenhaus gebracht werden. Es stellt sich heraus, dass ein Gestaltenwandler hinter Olivia her ist. Kurz darauf bekommt die Fringe Division Verstärkung von der FBI Agentin Amy Jessup. Der Gestaltenwandler erhält aus einer anderen Dimension seine Anweisungen. Er soll Olivia befragen und anschließend töten. Amy Jessup kommt gerade noch rechtzeitig und kann Olivia retten. Der Gestaltenwandler kann jedoch fliehen.

Währenddessen reist Broyles nach Washington D.C., um eine Stilllegung der Fringe Division zu verhindern. Nina Sharp ist ebenfalls der Meinung, dass die Abteilung nicht geschlossen werden darf.

In Pennsylvania sind einige Leute spurlos verschwunden. Das Fringe Team ermittelt und findet heraus, dass alle Personen in der Nähe des Hauses eines früheren Doktors verschwunden sind, welcher seine Frau und sein Kind bei der Geburt verloren hat. Bei der Exhumierung entdeckt das Team den leeren Sarg des Babies. Walter findet heraus, dass die Frau Lupus hatte und der Mann sein Kind genetisch verändert hat, damit es die Krankheit überlebt. Auf der Suche nach dem Kind werden Olivia und Peter angegriffen...

Einstweilen versucht Walter Olivias Reise zwischen den beiden Dimensionen mit Hilfe von Fröschen nachzustellen.

Wie es scheint hat Olivia den Übergang zwischen den Dimensionen nicht ganz ohne Nebenwirkungen überstanden. Nina Sharp kontaktiert Olivia und gibt ihr den Namen eines Mannes, der ihr eventuell helfen kann.

Der Gestaltenwandler hat Charlies Form angenommen. Er soll Olivias Erinnerungen aus der anderen Dimension beschaffen.

In einer Bahnhofshalle kommt es zu einer Explosion, die allerdings keine Hinweise auf einen Sprengsatz hinterlässt. Walter findet Überreste von einem menschlichen Körper, der nicht zu den Opfern gehört. Er untersucht die Reste im Labor und findet heraus, dass diese Person die Bombe war. Die Spuren führen Olivia und Peter in den Irak. Dort erfahren sie von einem geheimen militärischen Projekt und von noch mehr menschlichen Bomben, die frei herumlaufen.

In verschiedene kryotechnische Firmen wird eingebrochen; dabei werden sämtliche dort gelagerten Köpfe gestohlen. Es scheinen die Gestaltwandler - und somit auch Charlie - dahinter zu stecken, die offensichtlich auf der Suche nach einem bestimmten Kopf sind. Walter und Peter versuchen, die Gestaltwandler unter den Menschen sichtbar zu machen. Dafür reaktivieren sie Rebecca, die Walter vor Jahren, unter verschiedene psychoaktive Drogen gesetzt, schon ein Mal geholfen hat...

Sam Weiss spürt, dass Olivia Charlies Tod sehr nahe geht. Er gibt ihr ein neues Projekt, um ihrem Leben wieder Halt zu geben. Sie soll von allen Menschen, die etwas Rotes tragen, Visitenkarten sammeln. Wenig später erschüttert eine Reihe mysteriöser Morde Seattle. Es stellt sich heraus, dass die Mörder, die selbst kurz nach den Morden starben, unter Schlafstörungen litten und in Behandlung bei Dr. Nayak waren, der ihnen einen Biochip ins Gehirn gesetzt hat.

Ein alter Fall, der Broyles bereits vor vier Jahren beschäftigt hat, wird wieder brisant, als ein Mann gefunden wird, der sich zu Staub verwandelt hat, nachdem ein geheimnisvoller Schatten durch ihn hindurchgegangen ist. Walter stellt fest, dass ein Organismus dahinter steckt, der sich von der radioaktiven Strahlung ernährt, die von Menschen ausgeht. Broyles nimmt Kontakt zu dem Mann auf, der schon vor vier Jahren verzweifelt um Hilfe gebeten hatte...

Der Sohn eines hochrangigen Massive Dynamic-Mitarbeiters wird entführt. Bei der Flucht sterben mehrere Polizisten auf merkwürdige Weise, nämlich durch die Waffe einer Kollegin, die sich auch selbst erschießt. Es scheint, als habe es die Fringe-Abteilung mit einer Art Bewusstseinskontrolle zu tun. Bei der Übergabe der geforderten 2 Millionen Dollar kommt schließlich heraus, dass der eigentliche Entführer der 15-jährige Tyler selbst ist, der jetzt Peter in seiner Gewalt hat...

Nach der Havarie eines chinesischen Frachters eine erschreckend große Anzahl von toten Chinesen gefunden, die allesamt an parasitären Würmern gestorben sind, die aus ihren Körpern hervorgebrochen sind. Daher wird die Fringe-Division zu den Untersuchungen hinzu gezogen.

Es besteht die Möglichkeit, dass einige Träger der Parasiten dem Unglück entkommen sind. Zudem erhalten die Mitlgieder der Fringe-Division Hinweise darauf, dass die Opfer von ihren Menschenhändlern absichtlich infiziert wurden - und dass schon bald ein weiteres Schiff der gleichen Organisation Boston erreichen wird, dessen illegale Fracht möglicher Weise ebenfalls Befallen ist.

Derweil hat es eine Überlebender zu seinem Ziel geschafft: Einem chinesischen Arzt (Gaststar Tzi Ma). Doch damit ist er noch lange nicht am Ende seiner Qualen angekommen ...

Drei Patienten aus verschiedenen Nervenkliniken, die an Zwangsvorstellungen gelitten haben, sind nach dem Besuch von zwei geheimnisvollen Männern plötzlich wieder gesund. Die Männer haben, ohne dass sie es gemerkt haben oder sich daran erinnern würden, Gewebe aus deren Gehirn entfernt. Wie sich herausstellt, war es Fremdgewebe und hat bei den Patienten die Wahnvorstellungen ausgelöst. Peter und Olivia stellen fest, dass das Hirngewebe von Walter stammt...

Kurz nachdem die lebenserhaltenden Maschinen abgeschaltet worden sind, schlägt die 17-jährige Lisa plötzlich die Augen auf und schreit Abschusscodes für Raketen heraus. Dann spricht sie Russisch. Walter vermutet, dass das Mädchen von einem Geist besessen ist. Der Navy-Bootsmann Andrew Rusk ist kürzlich durch einen Kopfschuss ums Leben gekommen und Lisa wiederholt ständig den Kosenamen, den er seiner Frau gegeben hat …

Ein State Trooper greift außerhalb der Kleinstadt Edina einen kleinen Jungen auf, der sich plötzlich in ein entstelltes Monstrum verwandelt. Auf dem Revier schreibt der Polizist einen Bericht und fügt ein Foto des Jungen hinzu, als mehrere Männer mit ähnlichen Missbildungen am Kopf hereinstürmen, die Polizisten erschießen und den Jungen mitnehmen. Zunächst stehen Olivia und ihr Team vor einem Rätsel …

Ein Holländer betritt das Büro einer Firma, die in der Ölbranche tätig ist. Plötzlich stürzt er zu Boden, spuckt Blut und stirbt. Von diesem seltsamen Todesfall alarmiert, kommen Peter und Olivia in die Firma, um Informationen zu sammeln. Bald wird klar, dass von dem Toten ein gefährlicher Krankheitserreger auf andere Menschen übergesprungen ist und eine Epidemie auszubrechen droht. Es beginnt ein Wettlauf gegen die Zeit …

Auf einer Hochzeit sterben alle Angehörigen der Familie des Bräutigams einen qualvollen Erstickungstod. Walter untersucht die Toten und vermutet, nachdem er das tödliche Gift bestimmt hat, dass es zu weiteren Anschlägen kommen wird. Das Perfide daran ist, dass nur bestimmte Leute zu Tode kommen, denn das Gift, das der Täter zusammenmischt, kann auf Personen mit bestimmten gemeinsamen genetischen Merkmalen programmiert werden.

In New York sorgen merkwürdige Erdstöße für Unruhe bei den Menschen. In einem Bürohaus wackeln plötzlich die Wände und es gibt nur einen Überlebenden; der allerdings ist aus mehreren Menschen zusammengesetzt und stirbt kurz darauf. Walter stellt fest, dass er aus der Parallelwelt stammt, vor der Bell Olivia einst gewarnt hatte. Auch das Bürohaus kam von dort. Walter sagt voraus, dass demnächst ein Haus mit gleicher Masse aus dieser in die andere Welt rübergezogen werden wird.

Als Kind war Peter todkrank und starb trotz aller Versuche von Walter, ein Heilmittel zu finden. Walter sieht durch ein von ihm konstruiertes Fenster in das Parallel-Universum, in dem sein Doppelgänger ein Heilmittel für seinen ebenfalls todkranken Sohn entwickeln will. Anders als in dieser Welt gelingt das, allerdings bemerkt der andere Walter nichts davon, denn er wird von September abgelenkt …

Olivia will Peter unbedingt verraten, dass er aus einem anderen Universum stammt, doch Walter ist davon gar nicht begeistert. Eine rätselhafte Todesserie beschäftigt das Team: Mehrere Menschen sterben an spontanen, sich rasend schnell ausbreitenden Tumoren, die anscheinend durch einen Handabdruck auf dem Körper der Opfer entstanden sind. Die Toten haben etwas gemeinsam – sie haben als Kinder an einer Versuchsreihe teilgenommen …

Walter will Peter einen Brief schreiben, um ihm darin die Wahrheit über seine Herkunft zu verraten. Doch das Team gerät in eine Zeitschleife, weil der geniale Wissenschaftler Alistair Peck versucht, seine Verlobte, die bei einem Autounfall ums Leben gekommen ist, zurückzuholen. Eine falsche Berechnung Pecks führt dazu, dass bei jedem seiner Zeitsprünge der Umgebung sämtliche Energie entzogen wird – mit verheerenden Folgen …

Walter ringt mit sich, ob er Peter dessen wahre Herkunft verraten soll. Als wieder Gestaltwandler auftauchen, wird das Team erneut zu Ermittlungen geschickt. Walter findet den Embryo eines ‚Soldaten‘ aus der anderen Welt – er ist halb Mensch, halb Maschine und kann jede beliebige Gestalt annehmen. Nachdem Walter die kryptischen Informationen des Embryos entschlüsselt hat, wird klar, dass Newton etwas vorhat …

Nach Peters Verschwinden ist Walter am Boden zerstört und raucht Marihuana, um sich abzulenken. Als er auf Olivias Nichte aufpasst, erzählt er Ella eine Geschichte. Darin sucht die von der Liebe enttäuschte Olivia den verschwundenen Peter und begegnet dem Erfinder Walter Bishop, der behauptet, dass Peter sein gläsernes Herz gestohlen hat … Ella gefällt das traurige Ende nicht, sie will ein Happy End …

Nachdem er aus dem Krankenhaus geflohen ist, fährt Peter ziellos durch das Land. In einer Kleinstadt wird eine Frau ermordet – davor wurde ihr ein Stück des Gehirns entnommen. Peter muss sofort an Newtons Methode denken, der dabei die Gehirne von Menschen anzapft. Er kann Sheriff Mathis, die Leiterin der Ermittlungen, überzeugen, dass es sich nicht um einen ‚normalen‘ Mordfall handelt. Es gibt ein zweites Opfer, und dann verschwindet Mathis’ Partner und Geliebter Ferguson …

Olivia wechselt mit Walter und einigen Leuten in das andere Universum, doch diese werden in der Parallelwelt Opfer ihrer speziellen Fähigkeiten. Nur Olivia und Walter bleiben übrig und machen sich auf die Suche nach Peter. Nina sendet Dell Botschaften, in denen sie ihn um Hilfe für Walter und Olivia bittet. Aber dieser erscheint nicht zum Treffpunkt – im Gegensatz zu einer Einheit der Fringe-Division, der die Doppelgänger von Olivia, Charlie, Astrid und Broyles angehören …

Walter will seinen Sohn Peter benutzen, um die Welt zu zerstören, damit das Paralleluniversum überlebt. Olivia versucht, Peter zu retten und gelangt mit einer Täuschungsaktion in seine Wohnung, wo sie ihn über das Vorhaben seines echten Vaters aufklärt … Mittlerweile ist Bell aufgetaucht und will Walter und seinen Freunden helfen, die Parallelwelt zu verlassen.