No ano de 2149, o oficial de polícia Jim Shannon é preso por seis anos por agredir outro agente de polícia e ter um terceiro filho com sua mulher em uma sociedade onde as famílias se limitam a dois filhos. Dois anos depois de sua condenação, sua esposa foi recrutada para viajar 85 milhões de anos atrás no tempo a Terra Nova, uma colônia pré-histórica que está tratando de reinventar o passado para um futuro melhor, ainda com a necessidade de coexistir com os dinossauros. Como sua esposa só podia levar dois filhos com ela, esta ajuda Jim a escapar da prisão, para que toda a família possa viajar no tempo. Uma vez em Terra Nova, Jim se reúne com o Comandante Nathaniel Taylor já que no futuro fora um bom soldado e termina no grupo de agricultura.

O grupo inimigo chamado os Sextos se apresenta e Jim é promovido a guarda de segurança depois de deter um deles em sua tentativa de assassinar o Comandante Taylor. Josh conhece uma garota chamada Skye que tem vários amigos com quem sai escondida de Terra Nova e se adentram na mata onde descobrem uma série de equações matemáticas numa cascata. Quando se preparam para voltar se dão conta de que os Sextos roubaram a bateria de seus veículos, são atacados por uma manada de Slashers e tem que ser resgatados pela equipe de segurança de Terra Nova.

Elisabeth, Jim, Malcolm e Taylor descobrem um misterioso vírus que causa perda de memória, paranoia e eventualmente a morte quando investigam o silêncio de um rádio no posto científico. Eles devem trabalhar juntos para encontrar uma cura antes que seja tarde demais

Uma equipe de Terra Nova encontra uma menina chamada Leah vagando pela selva de noite. Ela é levada a Terra Nova, onde se aloja com os Shannon. A tenente Washington é capturada pelos Sextos mas logo liberada. Jim, Taylor e Washington descobrem que Leah não é qeum diz ser, sendo uma espiã enviada pelos Sextos para roubar algo que está escondido na cidade.

Jim e Taylor investigam um primeiro assassinato na colônia. Skye ajuda Josh a encontrar uma maneira de reunir-se com sua namorada, que vive no ano de 2149. Elisabeth e Zoe tratam de ajudar na sobrevivência de um Ankylossauro que não termina de eclodir.

Um meteorito interrompe a energia de Terra Nova. Maddy e Reynolds ficam na selva sem poder voltar. Em Terra Nova, Elisabeth e Skye deverão trabalhar juntas para salvar uma vida, Taylor tenta prevenir uma invasão de Mira e os Sextos, um homem misterioso demonstra sua presença.

Maddy se emociona com a chegada de um grande cientista mas termina investigando-o já que este não parece quem diz ser, Boylan dá a Josh uma missão da parte de Mira para ele roubar remédios e entregar aos Sextos em troca de eles trazerem a Terra Nova sua namorada.

Boylan, sob efeito de alguma droga, comenta a Shannon (pensando que é Taylor) onde se encontra um corpo enterrado. Jim investiga e descobre que ele foi assassinado por Taylor. Este comenta a Jim como o matou e por quê. Em Terra Nova celebra-se uma festa.

Mira e Taylor se encontram na selva onde ele aprende mais sobre seus planos e de seu filho. Mas logo os dois enfrentam um inimigo pré-histórico que devem derrotar juntos.Os Sextos se apressam a cobrir seus rastros, Terra Nova segue em alerta. Zoe enfrenta uma difícil decisão já que o Ankylossauro que está cuidando cresce rapidamente.

Taylor e Shannon vão atrás de um espião infiltrado dos Sextos, que é Skye. A mesma trata de salvar sua mãe das garras de Lucas, o filho de Taylor que a põe a prova dando-lhe uma missão para salvar sua mãe. Por outro lado Maddy está tentando encontrar um núcleo para um dispositivo pessoal, e faz o que é preciso para encontrar.