Alors que la ville se prépare à fêter le 60ème anniversaire de sa construction, une perturbation spatio temporelle conduit Carter en 1947. Il y découvre Eurêka en pleine inauguration et sous contrôle militaire. Pris pour un espion, il est assommé et conduit à l'infirmerie où il retrouve Alison.

Jack et ses compagnons sont de retour en 2010, mais petit à petit ils s'aperçoivent que leur incursion dans le passé n'a pas été sans conséquences. Le présent dans lequel ils sont revenus est différent de celui qu'ils avaient quitté et si pour certains le changement est bénéfique, pour d'autres, les répercussions sont dramatiques.

Isaac Parrish, un scientifique brillant, se sent sous-estimé. Son hostilité paraît contagieuse et affecte peu à peu tous les habitants d'Eureka, notamment Fargo...

Alors qu'Eureka célèbre la semaine de la science, le docteur Ramsey dévoile une invention qui pourrait permettre de coloniser la planète Mars. De son côté, Jack rend visite à sa fille Zoe à Boston...

Douglas Fargo est à Warehouse 13 pour mettre à jour le système informatique, mais un virus va bloquer l'équipe dans l'entrepôt. Claudia Donovan en visite à Eureka, doit aider Carter et Fargo à comprendre quels sont les mystérieux objets qui apparaissent...

Alors que Carter, Kevin, Fargo et Grant sont partis camper, leur périple tourne au cauchemar quand un dysfonctionnement de l'intelligence artificielle de Global Dynamics met leur vie en danger. Pendant ce temps, Henry prête main forte à Grace sur un projet. Au cours de la discussion, il évoque le voyage dans le temps et lui avoue qu'il s'agit pour lui d'une réalité alternative différente de celle qu'il connaissait auparavant...

Carter en a assez que Grant tente de séduire Allison, Zoe dissimule son amour, et Henry courtiste Grace. Jo est furieuse lorsque Derek, après avoir découvert un os fossilisé dans le chantier de construction de sa maison, fait stopper les travaux. Tout à coup, une partie de l'équipe chargée des fouilles se transforme en statue...

Alors que la relation entre Carter et Allison semble enfin trouver son rythme de croisière, des personnes liées à leur passé refont surface. Par ailleurs, le nouveau projet de Global Dynamic intéresse un certain Barlowe...

Après la disparition de la DID, Carter, Jo, Fargo et Allison ont une impression de déjà-vu lorsque leur enquête place Trevor Grant en tête de liste des suspects. L'étau se resserre quand ils découvrent un lien entre ce dernier et Beverly Barlowe. Celle-ci compte en fait renvoyer Grant en 1947, notamment pour éviter la prison à son père. Carter craint de funestes conséquence pour Allison et Henry...

Carter ne parvient pas à se laisser gagner par l'esprit de Noël, car un champ magnétique entoure la ville, l'empêchant de rejoindre sa famille. Quant à Fargo, il organise une fête de fin d'année chez Global Dynamics, et Allison est pleine d'enthousiasme à l'approche des vacances...

Une maladresse de Zane l'envoie dans l'espace dans une vieille navette spatiale à bord de laquelle se trouve également Fargo. Remis de leur surprise, les deux hommes réalisent que leur embarcation se dirigent tout droit vers une station internationale et tentent d'éviter la collision. A Eureka, alors que Henry, Carter et Allison cherchent un moyen de ramener leurs amis sans dommage, la ville se retrouve privée d'électricité...

Allison doit se rendre à une conférence et laisse ses enfants sous la surveillance de Carter. Sur une route déserte, sa voiture est victime d'une crevaison, et une petite fille vient lui demander de venir en aide à son père. De son côté, Carter tente de comprendre pourquoi les habitants d'Eureka agissent de façon étrange : il semblerait qu'ils suivent à la lettre les paroles des chansons qu'ils écoutent...

Il ne reste plus que 140 jours avant le lancement de la mission Astraeus, qui doit se rendre sur Titan, et tous les scientifiques d'Eureka sont en compétition pour faire partie de l'équipage. Fargo et Holly Marten ont la lourde tâche de sélectionner les candidats. Par ailleurs, Jo et Carter testent des lentilles développées par Zane et qui permettent à leur porteur de détecter un danger potentiel dans n'importe quelle situation...

Lorsqu'on le prévient que la banque a été attaquée, Carter est ravi d'avoir enfin affaire à une enquête normale jusqu'à ce qu'il constate que c'est le bâtiment tout entier qui a disparu. Pour sa part, Jo soumet les scientifiques désireux de participer à la mission Astraeus à un entraînement physique intense. Quant à Fargo, il se rend compte que Isaac Parrish courtise également Holly Marten...

Carter est persuadé qu'il y a quelque chose d'anormal dans le comportement d'Allison. Mais avant qu'il n'ait pu faire quoi que ce soit, Beverly Barlowe et son associé, le docteur Dekker, plongent toute la ville dans un état inconscient pour dérober des donnés confidentielles de Global Dynamics. Ils ignorent cepent que Jo Lupo et Zoe Carter, qui viennent juste de revenir à Eureka, ont échappé à ce sommeil forcé....

Parrish, Jo, Fargo, Holly et Zane sont enfermés dans une chambre d'isolation pour un test psychologique en vue de leur prochaine mission. Pendant ce temps, Carter constate que des machines qui étaient chargées de construire un vaisseau poursuivent inlassablement leur tâche, quitte à détruire Global Dynamics. De son côté, Allison souhaiterait reprendre ses fonctions, mais la sénatrice Wen lui conseille de prendre encore un peu de repos...

Tout le monde est enthousiaste à l'annonce du retour de Tiny, le robot qui a exploré Titan pour ramener quelques échantillons de son atmosphère. Peu de temps après son atterrissage, Tiny explose, et tous les gaz toxiques qu'il contenait se répandent. Au même moment, la relation d'Allison et Carter est étudiée de près par Warren Hughes, qui doit s'assurer que cette liaison ne les empêche pas de mener à bien leurs missions...

Alors ques les membres de la mission Astraeus terminent leur ultime préparation, un dysfonctionnement envoie le shérif adjoint Andy sur Titan. Tout le monde s'affaire pour le ramener vivant, avant qu'il ne succombe à l'atmosphère néfaste de la planète. Au même moment, Allison et Carter tentent de comprendre comment une vache et un véhicule ont pu être liquéfiés...

Carter demande à Allison et Kevin d'emménager avec lui. Alors qu'il enquête avec Jo sur une mystérieuse attaque du convoi présidentiel, venu assister au lancement de la mission Astraeus, les soupçons se portent sur le docteur Plotkin. Rapidement, des trous noirs semblent se former un peu partout dans Eureka. Pendant ce temps, personne ne réalise qu'une réelle menace plane au-dessus de la mission Astraeus...

Alors que le shérif Carter prépare une surprise de Noël pour les enfants d'Eureka, le générateur à superphotons devient fou. Une énorme vague de couleurs s'abat sur la ville, transformant ses habitants en personnages animés. De son côté, la petite Jenna ne résiste pas à la tentation que représentent tous les cadeaux posés sous le sapin et décide d'en ouvrir un. Il s'agit d'un livre interactif aux pouvoirs incontrôlables...