Olivia, Peter et Walter Bishop enquêtent sur la mort étrange d'une femme qui a accouché d'un bébé pour le moins anormal. La femme n'était enceinte que depuis quelques heures, pourtant le bébé était complètement développé et, au bout de quelques heures, âgé de 80 ans...

Un étrange cylindre est retrouvé au milieu des décombres d'un chantier de construction en plein centre-ville de New-York. Le cylindre était au milieu de l'explosion mais est pourtant intact. Olivia et son équipe se rendent sur place pour enquêter...

Un agent du FBI se retrouve avec un étrange parasite entourant son coeur et menaçant de le tuer. La seule personne pouvant le sauver est un dangereux terroriste, incarcéré dans une prison en Allemagne: Mr Jones...

Olivia parvient à échapper à ses ravisseurs après avoir subi une étrange intervention médicale, orchestrée par l'agent du FBI Mitchell Loeb. De nouveau au complet, l'équipe enquête sur la mort d'un épidémiologiste renommé, tué par un redoutable virus. Son décès semble lié à l'enlèvement d'Olivia.

Olivia "rêve" alors qu'elle est éveillée et voit des choses qui ne sont pas réellement présentes. Alors qu'elle enquête sur la mort d'une femme par combustion apparemment spontanée, Olivia décide de prendre le risque d'explorer ses visions inexpliquées. Pendant ce temps, Walter remet en question une information clé du Manifeste du Z.F.T., et Peter révèle un secret...

Une personne proche de la division Fringe est attaquée. Le bioterroriste David Robert est de retour. Walter disparaît mystérieusement. Nina demande une faveur à Olivia.

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...

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.

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.

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...

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...

Olivia Dunham est retenue prisonnière sur Liberty Island, dans l'univers parallèle. Elle est interrogée, droguée et considérée comme mentalement instable. Voyant en elle un atout majeur pour gagner la guerre contre l'autre monde, Walterego a demandé à Brandon de la soumettre à un traitement expérimental visant à la convaincre qu'elle est l'autre Olivia Dunham, en remplaçant ses souvenirs par ceux de son double. Mais le processus semble inefficace. Alors que Brandon s'apprête à lui faire une injection supplémentaire, Olivia parvient à s'échapper. Elle veut à tout prix retourner dans le monde réel. Elle prend un chauffeur de taxi en otage...

Dans l'univers réel. Après avoir reçu un mystérieux coup de téléphone en pleine nuit, Peter réalise qu'Olivia qui dort à ses côtés n'est pas celle qu'elle prétend être mais bien celle de l'univers alternatif. Alors qu'il fouille dans son ordinateur, Olivia le surprend et lui fait prendre un puissant sédatif. A son réveil, avec l'aide de Walter et Broyles, ils décident de se lancer à ses trousses. Dans l'univers alternatif, Brandon rencontre le secrétaire à la Défense Bishop qui l'autorise à utiliser Olivia pour des expériences chirurgicales afin de ramener leur Olivia dans leur monde...

Une nuit, dans une maison de retraite, Roscoe Joyce, un ancien musicien, rencontre son fils Bobby alors que celui-ci est décédé depuis près de 25 ans. Cette étrange rencontre est organisée par l'observateur. La Fringe Division est alertée et Walter est ravi car Roscoe Joyce est l'un de ses musiciens préféré. Quel est toutefois le but recherché par l'observateur ? Walter décide de mener une expérience dans son laboratoire avec Roscoe. De son côté, Olivia est toujours assez préoccupée par l'attitude de Peter et s'interroge sur les conséquences de son retour dans le monde réel...

Dans les années 80, Peter, enlevé par Walter dans l'univers alternatif, comprend qu'il n'est pas de ce monde. Il se rend sur le lac Reiden et plonge dans l'eau glacée en espérant rentrer chez lui. Elizabeth Bishop le sauve in extremis. Préoccupée par la santé mentale de l'enfant, elle suggère à Walter de l'emmener à Jacksonville, là où le scientifique teste des drogues neurotrophiques sur des enfants, dont la jeune Olivia Dunham. Dans l'univers alternatif, Walter et sa femme Elizabeth ne savent pas comment gérer la disparition de leur fils Peter...

Le corps d'Olivia est occupé par l'esprit de William Bell. Si Walter se réjouit de retrouver ainsi son vieil ami, Broyles et Peter semblent quant à eux plus inquiets sur la tournure de cet étrange événement. De plus, la Fringe Division doit enquêter sur une femme, Dana Gray, qui semble ne pas pouvoir mourir. L'équipe reçoit le renfort d'un jeune agent du FBI, Lincoln Lee...

Dans le monde réel. L'esprit de William Bell est malheureusement toujours coincé dans le corps d'Olivia. Walter et Bell pensent que si la situation perdure, l'esprit d'Olivia ne pourra pas reprendre sa place. Pour essayer de remettre les choses en ordre, Walter tente une expérience sous LSD. La prise de cette drogue va permettre à l'équipe de plonger littéralement dans le subconscient d'Olivia...

En se connectant à la machine, Peter est projeté dans le monde réel tel qu'il est en 2026. Dans cet univers, la Fringe Division est maintenant dirigée par Olivia, qui est l'épouse de Peter, et Phillip Broyles est devenu sénateur. Mais le chaos règne encore, notamment entretenu par un groupe terroriste dirigé par un certain Moreau. Quant à Walter, il est en prison pour avoir, dans le passé, activé les liens entre les deux univers. D'ailleurs l'univers alternatif a disparu mais est-ce une bonne chose ?...

La section spéciale poursuit ses enquêtes, mais sans Peter, qui n'est pas censé exister dans cette version du monde. Pourtant, son image resurgit par moments, apparaissent à Walter. Olivia enquête sur plusieurs meurtres oeuvre, a priori, du même tueur. Lincoln, dont le coéquipier a été victime de l'assassin, rencontre ainsi Olivia et toute l'équipe, et réussit à s'immiscer dans les investigations...

Olivia se réveille chez elle. Elle se retrouve nez à nez avec une boule d'énergie qui semble attirer les objets métalliques. Le phénomène se reproduit alors qu'elle procède avec Astrid aux analyses demandées par Walter. Ce dernier se souvient alors d'un des enfants sur lesquels il avait expérimenté le cortexiphan. Le petit avait développé une aptitude à la projection astrale qui le rendait magnétique. Olivia et Walter partent à sa recherche...

Bouleversée par la mort de son père, l'agent Farnsworth, de l'univers alternatif, décide de rencontrer son double, dans l'espoir de trouver un peu de réconfort et des réponses à des questions d'ordre personnel. Elle participe aussi à l'enquête que mènent Olivia et Peter pour retrouver un tueur utilisant un poison qui n'a pas encore été inventé. Cet ancien professeur de mathématiques du MIT a, comme les observateurs, la capacité de voir le passé, le présent et l'avenir, simultanément...

Un incident se produit à bord d'un avion de Vertus Air, sur un vol reliant Paris à New York. Tout comme dans l'univers de Peter, cette affaire semble liée à un homme auquel on a inoculé un virus, à la différence près que dans le monde réel, l'avion ne s'écrase pas. D'autres similitudes apparaissent bientôt...

Nous sommes en 2036, les observateurs ont envahi la Terre et font régner la terreur. En 2609, en empoisonnant l'air et l'eau, ils ont rendu la planète définitivement inhabitable. Ils sont ensuite remontés dans le temps pour en prendre le contrôle en 2015 et instaurer un régime totalitaire, faisant de nombreux morts parmi les insurgés. La section spéciale existe toujours, mais ses moyens ont été considérablement réduits et ses anciens membres ont mystérieusement disparu...

Plusieurs hommes et femmes, qui sortaient d'un centre commercial, sont victimes de combustion spontanée. Walter découvre qu'un escalator du bâtiment est infesté de nanites, à l'origine du phénomène. L'équipe emmène Rebecca Holt, une des personnes contaminées encore en vie, pour tenter de trouver un antidote...

Olivia et Peter, de retour au laboratoire de Walter, ont la surprise de trouver l'endroit vide. Le vieil homme et Astrid ont disparu. Alors qu'elle commence à comprendre ce qui s'est passé, Olivia reçoit un appel de Jessica, effrayée après s'être rendue compte qu'on la suivait. Son poursuivant n'est autre que l'observateur September...