2036, à New York. Les Observateurs contrôlent le monde. L'équipe de Fringe a été conservée dans l'ambre et incarne désormais la rébellion et le combat pour la liberté. Walter, Peter et Astrid doivent se cacher, après qu'Etta, fille de Peter et Olivia, les a sortis de l'ambre. A son réveil, Walter se découvre de nouvelles aptitudes. En effet, Etta et l'agent Simon Foster ont remplacé une partie de son cerveau. La mission de l'équipe de Fringe est désormais de retrouver Olivia, qui a disparu 21 ans plus tôt, après avoir récupéré un artefact essentiel. Peter et sa fille veulent découvrir ce qui lui est arrivé...

Les effets de la sonde télépathique de Windmark sont désastreux pour l'esprit de Walter. De son côté, la division Fringe sait qu'elle ne trouvera les précieuses informations dont elle a besoin pour combattre les observateurs qu'en pénétrant à nouveau dans le laboratoire de Walter à Harvard...

Après avoir récupéré des informations importantes sur une quatrième cassette betamax enfermée dans l'ambre, l'équipe de Fringe poursuit son combat contre les observateurs, qui étendent leur domination. Alors qu'ils sont dans une forêt, les enquêteurs rencontrent des gens recouverts d'étranges cicatrices en forme d'écorce, qui se sont donné pour mission de recueillir toute l'histoire de l'humanité. Dirigés par Edwin Massey, les réfugiés recueillent les données dans des cubes holographiques. Leur maladie de peau semble due à la forêt qui les environne et frappe quiconque reste trop longtemps sur les lieux...

A Boston, chez un prêteur sur gages, Peter achète un collier et se retrouve confronté à un observateur qui commence à lire dans son esprit. Alors qu'il découvre une image d'Etta, Peter parvient à s'enfuir, arrêtant ainsi le processus. A Harvard, Astrid et Walter découvrent une nouvelle cassette vidéo. Peter donne le collier à Etta, pour remplacer celui qu'ils ont utilisé dans la fabrication du laser...

A Manhattan, des Observateurs assemblent un appareil dans le but de créer un portail vers le futur. Ainsi, ils peuvent importer des pièces qui leur permettront de construire une machine destinée à détruire l'atmosphère terrestre. Non loin de Central Park, Anil explique le processus employé par les Observateurs à l'équipe. Walter constate que ces derniers ont créé un véritable «trou de ver» entre deux univers. Peter est parvenu à capturer un Observateur, qui a sur lui un carnet de notes, en langage crypté, et un cube, composant de la machine construite par ses semblables. Avec l'aide d'Astrid, Peter veut décrypter le journal et anéantir le passage créé par les Observateurs...

Peter regarde un hologramme contenant un message d'Etta lorsqu'Olivia le rejoint. Quand elle lui demande pourquoi il a un pansement sur la nuque, Peter se sent obligé de mentir et ne lui révèle pas qu'il a une puce des Observateurs insérée sous la peau. Walter trouve la septième cassette vidéo et décide d'en suivre, seul, les instructions. Son arrivée à Boston ne passe pas inaperçue aux yeux des Observateurs. Walter parvient à consulter ses notes avant de disparaître, pour réapparaître dans un univers parallèle de sa création, destiné à cacher des pièces importantes de son plan. Dans cet environnement, les lois de la physique et du temps sont totalement modifiées...

S'étant injecté un des produits des Observateurs dans le corps, Peter acquiert des capacités de précognition. Bien que souffrant d'effets secondaires gênants, il se met au travail avec Anil pour remplacer une des valises. Pendant ce temps, Walter récupère une nouvelle vidéo expliquant comment installer une balise spatio-temporelle. Il lui faut maintenant récupérer les appareils stockés chez Kelvin Industries. Pour cela, il fait appel à Olivia et Astrid. Mais le groupe est incapable de déblayer l'entrée du laboratoire. Seule Nina est en mesure de les aider, grâce à un artefact des Observateurs...

Alors qu'elle est à la recherche de nouvelles instructions sur des cassettes vidéo, Olivia fait la connaissance de Simone, une femme dotée d'un étrange pouvoir de divination. De son côté, Peter se retrouve dans une situation très fâcheuse alors qu'il se trouve en train de surveiller Windmark...

A Harvard, Astrid est réveillée par le poste radio transistor que Walter a rapporté de l'univers parallèle. Celui-ci émet un signal en boucle, apparemment codé. Tandis que Walter se conduit étrangement, Olivia et Peter, qui se remet doucement, enquêtent sur le signal pour retrouver la source d'émission. Celui-ci semble provenir d'une forêt. Ne serait-il pas envoyé par le mystérieux Donald ? Le tandem s'interroge. De son côté, Walter décide d'utiliser le LSD pour stimuler sa mémoire défaillante. Le scientifique espère ainsi se souvenir de son plan de sauvetage qui lui permettrait ainsi de mettre fin aux agissements des Observateurs...

A Harvard, la division Fringe ne parvient pas à communiquer avec Michael, l'enfant Observateur. Même Olivia a perdu tout contact avec lui. Walter est de plus en plus impatient, tandis qu'Olivia contacte Nina Sharp. Elle mène Walter, Peter et Olivia vers un ancien laboratoire secret de Massive Dynamic, qui sert désormais d'abri à la résistance. Les corps de plusieurs Observateurs sont entreposés et sont destinés à des expériences. Nina dévoile alors un casque Ecog, qui devrait leur permettre de fouiller dans l'esprit de Michael...

Walter, étrangement serein, affirme à Peter qu'il peut retrouver la trace du mystérieux Donald. Pour ce faire, il pénètre dans le caisson de privation sensorielle. Il accède ainsi à sa mémoire, se libère de ses souvenirs concernant Septembre et trouve également l'adresse de son appartement à Brooklyn. Il s'y rend en compagnie de Peter et Olivia. A Brooklyn, Septembre fait des révélations sur l'origine de Michael et sur celle de tous les observateurs. En parallèle, les observateurs commencent à entrevoir et à comprendre le plan des fugitifs. De son côté, le capitaine Windmark se déplace dans le futur pour accomplir une mission capitale...

Septembre s'entretient avec Décembre. Il souhaite que ce dernier aille dans le futur pour chercher une pièce afin de remplacer sa machine. Olivia et Astrid vont ensuite récupérer l'élément chez Décembre. Elles découvrent son corps et tentent de fuir les loyalistes sur les lieux. Ces derniers ont dérobé la pièce. Quant à Peter, il découvre que Walter est contraint de se sacrifier en partant aux côtés de Michael dans le futur. Le père et le fils échangent une dernière fois. Les résistants se retrouvent dans l'obligation de réfléchir à un autre plan. Astrid propose d'utiliser des passerelles temporelles des Observateurs. Ils cherchent un cube pour réussir...