Familjen Shannon går med i den tionde pilgrimsfärden av bosättare till kolonin Terra Nova. Pappan i familjen, Jim, guidar sin fru Elisabeth och deras tre barn genom den nya världen som är fylld av skönhet, mysterium och terror.

När Terra Nova attackeras av en legion från Pterosaurs, i form av förhistoriska dinosauriefåglar, måste Jim och Taylor komma på ett sätt att rädda kolonin innan den blir ockuperad. Elizabeth upptäcker att en tidigare förälskelse också tillhör gruppen och att det kan ha varit han som låg bakom rekryteringen av henne.

Elizabeth, Jim, Malcolm och Taylor undersöker radiotystnad på en närbelägen forskningsstation när de upptäcker att ett mystiskt virus, som orsakar minnesförlust, paranoia och slutligen döden, börjat sprida sig. Gruppen måste arbeta tillsammans för att hitta ett botemedel innan de tappar förståndet och hela Terra Nova smittas.

När en föräldralös flicka från Sixer söker asyl hos Terra Nova blir Jim och Shannon oense om de kan lita på flickan eller inte. Mira smider planer för att återta en betydelsefull ägodel. Taylor börjar misstänka att det finns en förrädare i hans närmsta krets. Reynolds erkänner sina känslor för Maddy.

Jim och Taylor utreder kolonins första mord. Skye hjälper Josh att hitta ett sätt att få hans flickvän från 2149 tillbaka till det förflutna. Elisabeth och Zoe räddar en dinosaurieunge från att dö.

Hela kolonin ödeläggs när en meteor kraschar och slår ut all teknik. Om de inte lyckas få igång systemen innan kvällen kommer de inte kunna hålla de förhistoriska rovdjuren borta från Terra Nova. Maddy och Reynolds är fast i vildmarken. Elisabeth och Sky blir tvungna att arbeta tillsammans för att rädda Hunters liv. En mystisk man ger sig till känna.

Geologen och äventyraren Ken Horton återvänder till kolonin till Maddys stora glädje. Men hon gör en skrämmande upptäckt som kan kosta henne livet. Josh, som står i skuld till Mira blir tvungen att stjäla medicin från sin mors sjukstuga. Taylor går med på att spionera på Sixers och upptäcker vem mullvaden är.

Taylor vill avslöja Sixer-spionen i Terra Nova. Jim kommer av en slump på ett gammalt mord där Taylor är huvudmisstänkt.

Taylor och Mira ger sig ut i djungeln och Taylor får reda på mer om hennes planer, och om sin son. De möter en förhistorisk fiende de måste besegra. Zoe ställs inför ett svårt beslut när Ankylosaurien hon har tagit hand om börjar växa snabbt.

Lucas skyndar sig för att sätta ihop de sista delarna i sin mystiska apparat, i god tid före pilgrimsfärden. Jim och Taylor konfronterar Sixer-spionen medan man förbereder sig för krig i Terra Nova.

Den elfte pilgrimsfärden anländer till Terra Nova, samtidigt hjälps Jim och Taylor åt att stå upp mot Phoenix-gruppen. Ett beslut som för alltid kommer förändra livet i Terra Nova, tas.