Als ein Flug aus Deutschland kommend auf dem internationalen Flughafen von Boston landet, sind keine lebenden Passagiere oder Besatzungsmitglieder an Bord. Alle Leichen sind furchtbar entstellt.

FBI Special Agent Olivia Dunham (Anna Torv) wird beauftragt, den Fall zu untersuchen. Gemeinsam mit ihrem Partner Special Agent John Scott (Mark Valley) sucht sie Hilfe. Diese können sie aber nur von einem Menschen bekommen: Dem klügsten Mann auf dem Planeten Dr. Walter Bishop. Doch da Dr. Bishop im Gefängnis sitzt und nur von einem Menschen besucht werden kann, seinem Sohn, überzeugt Agent Dunham Peter Bishop, ihr zu helfen. Under Agent Phillip Broyles (Lance Reddick) komplettiert das Trio.

Ein Mann verführt die Tänzerin eines Nachtclubs in einem Motel. Kurze Zeit später schreit die Frau wie wild herum und der Mann setzt sie vor einem Krankenhaus ab, bevor er sich davonstiehlt. Die Frau ist auf mysteriöse Weise schwanger, verstirbt jedoch wenige Minuten später auf dem Operationstisch. Die Ärzte versuchen das Baby zu retten und bringen ein Geschöpf zur Welt, das innerhalb weniger Minuten an Altersschwäche stirbt.

FBI-Agentin Olivia Warren soll den Fall zusammen mit Dr. Bishop und seinem Sohn Peter nachgehen. Bei der Untersuchung des Tatorts stellt sie fest, dass sie diesen schon einige Male gesehen hat. Es ist ein Fall, den sie zusammen mit Agent John Scott lösen sollte. Dies misslang ihr jedoch. Bei dem Fall ging es um einen Serienmörder, der innerhalb weniger Tage fünf junge Frauen auf bestialische Weise ermordete. Anschließend entnimmt er ihnen ein Stück vom Gehirn.

Den Fall konnten Olivia und John jedoch nie lösen.

Olivia wendet sich an Nina Sharp, der leitenden Geschäftsführerin von „Massive Dynamic“, und bitte um Hilfe.

Dr. Bishop ist im Labor mit diversen Tests beschäftigt, während sein Sohn sich langsam beginnt daran zu gewöhnen, dass sein Vater das Labor leitet.

Das Team untersucht einen Bus voller toter Insassen, die alle steif gefroren sind. Alle Hinweise führen Olivia zu Massive Dynamic...

Zudem findet das Team einen Mann, der Visionen von „Pattern“-Zwischenfällen hatte, noch bevor diese eintraten. Dr. Bishop untersucht ihn und ihm wird dabei klar, dass er diesen Mann vor 20 Jahren als Testsubjekt für das „Ghost-Network“ ausgesucht hatte.

Eine schreckliche Explosion erschüttert eine Baustelle in New York City. Broyles schickt das Team nach New York, um einen mysteriösen, metallischen Zylinder zu untersuchen, der an der Unglücksstelle gefunden wurde. Dieser ist völlig unversehrt und er scheint mit einer bestimmten Frequenz zu vibrieren. Dr Bishop hat eine Vorahnung um was es sich handeln könnte, möchte dies aber noch nicht mitteilen.

Unterdessen spricht Olivia mit einem Bekannten, der 1987 dabei war, als man einen identischen Zylinder gefunden hat.

Auf den Fotos von 1987 entdeckt sie einen mysteriös aussehenden Mann. Sie spricht mit Broyles und er informiert sie, dass dieser Mann bei vielen "Pattern"-Zwischenfällen gesichtet wurde. Er scheint nur zu beobachten und wird daher "The Observer" genannt.

Agent Mitchell Loeb, ein Freund von Broyles, bricht nach einem Auftrag zusammen. Sein Herz wird von einem mysteriösen Parasiten umgeben, der sich langsam in seinem ganzen Körper ausbreitet.

Um eine Heilmethode zu finden, fliegt Olivia nach Frankfurt, um mit einem Gefangenen zu sprechen. Doch der Gefangene möchte mit seinem Kollegen sprechen, der kurz davor bei einer Razzia getötet wurde. Aber Walter hat eine Idee, wie sie trotzdem an die Information des Toten gelangen können...

Nachdem Olivia einen seltsamen medizinischen Eingriff durchmachen musste, kann sie ihren Entführern entkommen.

Zusammen mit Walter und Peter ermittelt sie in dem mysteriösen Todesfall eines Epidemiologen, der von einem riesigen Virus in seinem Körper ermordet wurde. Schließlich findet Olivia eine Spur, die Mitchell Loeb mit ihrer Entführung und dem Mord in Verbindung bringt. Das Team kann ihn ergreifen und gefangen nehmen. Wird er etwas verraten?

In der Zwischenzeit führt Sanford Harris, ein Berater von Homeland Security, eine Überprüfung der Fringe-Abteilung durch. Zu allem Überfluss taucht auch noch Olivias Schwester Rachel auf.

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.