Au sein d'une institution psychiatrique, un patient subit une opération du cerveau. Immédiatement après, il montre une nette amélioration de son état mental. Olivia, qui enquête sur cet étrange phénomène, fait une découverte sur elle-même en visionnant une vidéo de surveillance de la clinique...

Une adolescente est déclarée cliniquement morte. Aussitôt, les médecins la préparent pour un prélèvement d'organes. Mais alors qu'ils commencent à l'opérer, elle revient à la vie. Cette résurrection se double d'un autre mystère : elle parle couramment le russe et possède des informations confidentielles...

Edina est une petite commune paisible de l'Etat de New York. Depuis peu, les habitants sont attaqués par des êtres horriblement difformes. L'équipe d'Olivia est envoyée sur place. Les annales de la police locale mentionnent que, depuis une trentaine d'années, plusieurs agressions de ce type ont eu lieu...

Un homme inconnu s'effondre dans un immeuble de bureaux et est rapidement déclaré mort. Le FBI et une équipe de décontamination mettent le bâtiment en quarantaine après avoir découvert un virus potentiellement dangereux. Peter, un des protagonistes, craint d'être infecté et cherche à se sauver. Pendant ce temps, Walter et Astrid tentent de trouver un remède.

Les invités d'un mariage sont tous asphyxiés par une toxine. L'équipe de Fringe tente de découvrir comment le poison a été administré et qui était la cible de l'attaque. Les enquêteurs découvrent rapidement qu'il s'agissait d'une expérience grandeur nature, destinée à tester une nouvelle arme...

Une secousse violente détruit un bâtiment de Manhattan. Une seule personne survit à cette catastrophe incompréhensible. L'équipe se met à sa recherche. Walter est persuadé que les causes du désastre ont quelque chose à voir avec une expérience qu'il a conduite il y a de nombreuses années avec Bell...

Depuis ses récentes découvertes au sujet de Peter, Olivia refuse catégoriquement de répondre aux nombreux appels de Walter. Celui-ci décide donc de se rendre chez elle car il tient à lui expliquer ce qui s'est réellement passé en 1985 afin qu'elle comprenne l'origine et l'histoire de Peter...

Une femme est retrouvée morte à Providence, dans le Rhode Island. A la morgue, Broyles exige qu'une enquête soit menée par l'équipe d'Olivia. Rapidement, elle découvre qu'un homme gravement malade aurait transmis le cancer à la défunte. Parallèlement, Olivia a du mal à garder le secret au sujet de Peter...

L'équipe d'Olivia enquête sur la mort mystérieuse de tous les passagers d'un train. Etrangement, les batteries des appareils électroniques des victimes sont toutes vides. C'est cet unique indice qui conduit Olivia jusqu'à Alistair Peck, un chercheur doté d'un grand pouvoir aux terribles conséquences...

Les services secrets retrouvent les traces de soldats métamorphes qui refont mystérieusement surface. Olivia et son équipe se mobilisent pour tenter de les retrouver. Comment empêcher Newton d'accomplir son plan ? Walter veut dire la vérité à Peter sur ses origines, mais il ne trouve pas le bon moment...

Peter n'a pas refait surface. Walter affronte cette situation comme il le peut en recourant à de la marijuana de synthèse. Mais l'arrivée d'Ella, la nièce d'Olivia, lui change les idées. Le vieux scientifique décide de raconter un étrange récit à la fillette toujours prête à écouter des histoires...

Dans une petite ville du Noyo County, sur la côte Ouest, Peter sympathise avec une serveuse. Lorsqu'elle disparaît sans laisser de traces, il avertit la shérif Ann Mathis qui ouvre immédiatement une enquête. De son côté, Walter comprend qu'il pourrait retourner à l'hôpital psychiatrique Sainte-Claire...

L'esprit d'équipe dont font preuve Walter et Olivia surprend Broyles lui-même. Malgré le danger qu'ils courent, ils sont volontaires pour se frayer un passage vers l'autre univers. C'est la seule manière de retrouver la trace de Peter, qui a disparu. Leur contact dans l'autre monde : William Bell...

Aidée par William Bell, Olivia récupère Walter avant de se lancer à la recherche de Peter. Les deux anciens amis vont devoir travailler à nouveau ensemble pour préparer le voyage de retour...