Poprzedni sezon "Eureki" kończy się w momencie niespodziewanego startu statku, który miał lecieć z misją na Tytana. Na pokładzie maszyny, oprócz ekipy astronautów, została uwięziona Allison, która budzi się w momencie, gdy statek jest bliski zderzenia z tajemniczą planetą. Po interwencji Allison załodze udaje się bezpiecznie wylądować z powrotem w Eurece, tyle że cztery lata później. W miasteczku wiele się przez ten czas zmieniło. Andy z armią klonów pilnuje porządku w mieście, a funkcję dyrektora GD przejęła po Fargo S.A.R.A.H. Również w życiu uczuciowym bohaterów zaszły zmiany. Jo i Jack są parą i wspólnie wychowują dzieci Allison

W Eurece trwają poszukiwania zaginionego statku. Nikt nie podejrzewa, że załoga została porwana przez Beverly. Jej plan zakłada przetrzymywanie najlepszych naukowców Eureki w sztucznie wykreowanym świecie i wykorzystywanie ich wiedzy. Allison i reszcie wydaje się, że wylądowali w Eurece 4 lata później, ale w rzeczywistości leżą podłączeni do aparatury, która ingeruje w ich myśli. Beverly chce w ten sposób kraść ich naukowe odkrycia. W prawdziwej Eurece senator Wen informuje mieszkańców, że oficjalne poszukiwania statku zostały zakończone. Jack nie poddaje się jednak. Wspólnie z Henrym i synem Allison, Kevinem, próbują znaleźć sposób na znalezienie załogi. Nie podejrzewają jeszcze, kto jest zamieszany w porwanie.

Carter jest bliski rozwiązania zagadki zaginięcia załogi Astrajosa. Podejrzewa, że za porwaniem statku stoi senator Wen, z którą współpracuje Beverly Barlowe. Gdy ludzie szeryfa zaczynają jej szukać, kobieta niespodziewanie zjawia się na posterunku w Eurece i oferuje swoją pomoc. Jo, Henry i Jack wymyślają sposób na uwolnienie załogi. Carter zamierza przedostać się do wirtualnego świata i wywołać gigantyczną eksplozję, która zniszczy program od wewnątrz. W ostatniej chwili udaje im się uciec. Niestety, Jo i szeryf muszą przekazać Fargo tragiczną wiadomość.

Fargo nie może poradzić sobie ze śmiercią Holly. Reszcie załogi Asteriusa też trudno zapomnieć o tym, co widzieli będąc w Eurece cztery lata później. Ani Carter, ani Zane nie powiedzieli Jo o tym, że była wtedy w związku z szeryfem. Problemy mają również Henry i Grace. Grace nie jest w stanie zapomnieć, że Henry próbował ją zabić w wirtualnej rzeczywistości. Isaacowi udaje się wynaleźć ognistą kulę sterowaną iPadem. Niestety żywioł wymyka się spod kontroli i lata po GD siejąc spustoszenie. Od psychiatrów z GD Fargo dostaje środek, który ma złagodzić żałobę po Holly. W ciągu jednego dnia przechodzi wszystkie etapy żalu po stracie bliskiej osoby. Isaacowi nie udaje się okiełznać swojego wynalazku: kula ognia wydostaje się z GD i lata po Eurece szukając źródeł prądu. Szeryf nakazuje wyłączenie wszystkich urządzeń elektrycznych w mieście.

Do Eureki przyjeżdża Warren Hughes. Ma on sprawdzić, czy członkowie nieudanej misji na Tytana nadają się do pracy w GD. Zane i Allison wciąż rozpamiętują wirtualny romans Jo i Cartera. Mimo sprzeciwu Fargo, Zane rozpoczyna badania nad macierzą programu, do którego podłączyła ich Beverly. Wskutek jednego z eksperymentów w GD, Fargo i Carter zamieniają się ciałami. Następnie szeryf budzi się w ciele Zane'a. Zamiany ciał powodują wiele dziwnych sytuacji w życiu mieszkańców miasta. Gdy wszystko wraca do normy, Jack oświadcza się Allison. Grace, która bardzo przeżywa fakt, że nieświadomie brała udział w projekcie Beverly, postanawia opuścić Eurekę.

Jo organizuje w Global Dynamics pogrzeb Holly. W czasie uroczystości w siedzibie pojawia się major Shaw, który ma za zadanie skonfiskować wszystkie urządzenia z laboratorium Beverly oraz założyć w GD system bezpieczeństwa bezpośrednio połączony z Waszyngtonem. Zane i Fargo, którzy wierzą, że Holly nadal jest w systemie, chcą mu przeszkodzić. Wtajemniczają w sprawę Allison i Jo. Henry chce kontynuować badania Grace nad falami Z, które uaktywniły się w mózgach wszystkich osób podłączonych do matriksa. Shaw formatuje komputer w którym "żyje" Holly. Fargo jest zrozpaczony. Niespodziewanie w GD wszystkie urządzenia zaczynają wariować.

Henry'emu udaje się odzyskać duszę Holly i zamienić ją w hologram. Dziewczyna mieszka teraz razem z S.A.R.A.H w inteligentnym domu Jacka. Carter prosi Andy'ego, żeby dał Fargo delikatnie do zrozumienia, że wraz z Holly muszą się wyprowadzić. W Eurece trwa właśnie dzień Feynmana, który jest podobny do prima aprilis. Jo denerwuje fakt, że wszyscy wokół robią sobie dowcipy. Carter zaskakuje Allison i zabiera ją na rejs łodzią podwodną. Niestety, zostają uwięzieni na dnie jeziora. Ekipa znajdująca się w GD ma mało czasu, żeby ich odnaleźć i uwolnić. W czasie, gdy wszyscy walczą o życie szeryfa i Allison, Fargo żyje w swoim świecie wraz z hologramową Holly.

Do Eureki przyjeżdża Marcus, brat Allison. Chce poznać świeżo upieczonego małżonka siostry. Carter nie jest zachwycony tą wizytą, jest przekonany, że rodzina Allison ma go za głupka. Kevin, syn Allison chce pomóc Jackowi. Udaje mu się sprawić, że Carter staje się supermądry. Holly ma dość życia w zamknięciu z S.A.R.A.H. i prosi Zane'a o pomoc. Zane wraz z Henrym dochodzą do wniosku, że są w stanie zbudować Holly prawdziwe, oddychające ciało.

Carter zabiera Allison na miesiąc miodowy do domku w lesie, który odziedziczył w spadku po poprzednim szeryfie. Allison, która spodziewała się egzotycznej wyprawy jest trochę zaskoczona. Zwłaszcza, że Carter zaplanował w czasie ich pobytu wspólny remont domku. Do Eureki powraca Grace. Dzięki jej pomocy Zanowi i Henry'emu udaje się stworzyć ciało dla Holly. Allison i Jack znajdują podczas remontu akta sprawy, którą prowadził poprzedni szeryf. Przekazują je Andy'emu i Jo, która orientuje się, że śledztwo dotyczyło szpiegów wśród mieszkańców Eureki, współpracujących z Beverly Barlow. Szeryf postanawia wrócić do tej sprawy.

Wszyscy mieszkańcy Eureki podejrzewają się wzajemnie o szpiegostwo. W GD pojawiają się przedstawiciele Departamentu Sprawiedliwości, by przejąć śledztwo, w którym Grace jest podejrzewana o przekazywanie tajnych informacji Beverly Barlow i senator Wen. Holly próbuje odnaleźć się w drugim życiu. Odtwarzając jedną z wiadomości ze swojej skrzynki mailowej natrafia na hipnotyzujący obraz, który ją przeprogramuje tak, że zaczyna prace nad wydrukowaniem ciała, podobnego to tego, które stworzyli dla niej Fargo i Zane. Naukowcom z GD udało się opracować technologię pyłu ozonowego, która ma pomóc w walce z dziurą ozonową. Przy testach wydaje się, że wynalazek działa prawidłowo. Aż do momentu, kiedy okazuje się, że za jego sprawą w Eurece zaczynają się pojawiać wszędzie lustrzane odbicia. Sprawa jest jednak bardziej skomplikowana niż wszystkim się na początku wydaje.

Holly, Henry, Jo i Andy zostają zastąpieni przez swoje fałszywe odpowiedniki, które wydrukowała Holly. Fałszywy Henry udaje się do więzienia w GD i uwalnia z celi Grace. Allison, Fargo i Zane zaczynają powoli dochodzić do tego, co jest przyczyną tak dziwnego zachowania ich przyjaciół. Fałszywy Carter zbiera naukowców, którzy brali udział w misji na Asteriusa i podpina ich do matrixa, który tworzy wraz z innymi klonami. Fargo udaje się pochwycić Holly, ale wspólnie z Allison wypuszczają ją na wolność, aby doprowadziła ich do kryjówki klonów. Gdy już wszystko wraca do normy, mieszkańcy otrzymują złą wiadomość od majora Shawa. Rząd nie zamierza dłużej finansować eksperymentów w GD.

W związku z decyzją rządu o likwidacji Eureki w mieście trwa wielkie pakowanie. Wszyscy zastanawiają się, co ze sobą zrobić. Do Jacka przyjeżdża córka Zoe, która chce się pożegnać z przyjaciółmi z Eureki. Jack odkrywa tunel czasoprzestrzenny, który prowadzi do GD. Nie mija doba, jak w mieście zaczyna przybywać tuneli czasoprzestrzennych i ludzie nieoczekiwanie dla samych siebie przenoszą się z miejsca na miejsce. To nie ułatwia procesu likwidacji miasta. Fargo robi co może, aby uratować Eurekę i GD.