Chargé de ramener Zoé, sa prisonnière, à Los Angeles, le marshall Jack Carter perd le contrôle de sa voiture dans un moment d'inattention. Son véhicule accidenté, il est bloqué le temps des réparations dans un petit patelin du nom d'Eureka.

Très vite, il découvre qu'Eureka est le théâtre d'événements des plus étranges. Jack n'est pas au bout de ses surprises...

Jack Carter n'a pas encore trouvé d'appartement à Eureka, mais il doit déjà assister à l'enterrement de deux de ses nouveaux concitoyens. En effet, Walter Perkins semble avoir été tué lors d'une expérience scientifique et son épouse, Susan, s'est vraisemblablement suicidée.

Mais lorsque celle-ci, bien vivante, vient en personne demander des explications à Jack, il doit éclaircir ce mystère avec l'aide de Nathan Stark, le nouveau directeur de recherche de Global Dynamics.

Jason Anderson et sa femme Kim, deux scientifiques mondialement renommés, viennent d'arriver à Eureka pour la démonstration d'un de leurs prototypes à un ponte de l'armée américaine. Jason a créé un champ de force capable de protéger des soldats contre les balles ou les flammes... en théorie.

Alors qu'un important membre du Congrès est en visite à Eureka, certains habitants se persuadent de l'imminence d'une invasion extraterrestre...

Une explosion accidentelle dans un laboratoire réduit à néant plusieurs années de recherche sur la régénération cellulaire. Stark renvoie Carl Carlson, le scientifique coupable de la catastrophe. Mais une tentative de suicide fait comprendre à Carlson qu'il est désormais capable de se régénérer. Peu à peu, il acquiert d'autres pouvoirs surprenants.

Jack se rend sur les lieux d'un étrange accident : un objet invisible a pulvérisé la voiture d'une femme et un corps mutilé a été retrouvé à proximité. On découvre que la victime est un employé de Global Dynamics. Nathan Stark retire l'affaire à Jack, arguant qu'il s'agit d'un problème interne.

L'électricité fait des siennes à Eureka. Les feux de signalement, les systèmes de chauffage et même les barbelés électriques ne fonctionnent plus. Henry découvre qu'un virus pourrait être la cause de ces dérèglements. Des soupçons pèsent sur Callister Raynes, un jeune informaticien jadis au service de Stark, qui revient à Eureka après une longue absence. Par ailleurs, Jack s'aperçoit que sa fille est coupable d'un vol de carte de crédit.

Taggart utilise des nanoïdes — de minuscules robots qui fonctionnent comme des cellules vivantes — pour guérir un chien blessé. Mais les nanoïdes s'échappent et tuent un informaticien. Taggart découvre bien vite qu'ils peuvent également prendre l'apparence d'êtres vivants et tente d'alerter Stark. Mais celui-ci est énervé car la famille d'Allison vient de lui faire parvenir les papiers du divorce et sous-estime la gravité de la situation.

Après une journée comme les autres à Eureka, tous les habitants perdent connaissance pendant la nuit. Le lendemain matin, ils ont tous un comportement étrange et irresponsable, à l'exception de Jack et Zoe Carter. Jack pense qu'une invention d'Henry est responsable mais en tentant de la neutraliser, il ne fait qu'aggraver le problème.

Fatigué par le comportement de Stark à son égard, Carter prend quelques jours de congé dans sa maison contrôlée par une intelligence artificielle, S.A.R.A.H. Sa journée de repos est interrompue quand S.A.R.A.H. attire Stark, Allison, Beverly, Fargo et Henry et les enferme à l'intérieur de la maison pour qu'ils règlent leurs différends. Ceux-ci ne semblent pas prêts à accéder à la requête de la maison et vont accidentellement déclencher un autre programme, B.R.A.D., beaucoup plus agressif.

Eureka se retrouve propulsée dans un futur proche. En 2010, Zoe s'apprête à recevoir son diplôme universitaire, Henry a épousé Kim, et Carter et Allison sont mariés et attendent un enfant. Mais Fargo interrompt la cérémonie de Zoe pour demander à Carter et Allison d'éclaircir un terrifiant mystère. Le corps d'une femme, sorti de nulle part, est apparu dans la Section 5 et semble avoir été brûlé par d'étranges radiations. Les anomalies temporelles se multiplient à Eureka et mettent Fargo sur la piste d'une réponse.