Un accident entre deux voitures à New York. D'un coté un homme capable de changer de forme fuit la scène du crash. De l'autre, Olivia Dunham, qui a disparu, réapparaît subitement, grièvement blessée.
Un ouvrier travaillant à la construction d'une autoroute en Pennsylvanie est porté disparu après avoir été mystérieusement happé dans un tunnel rempli de restes humains.Pendant ce temps, au laboratoire, Walter essaie de reproduire le voyage inter dimensionnel sur des grenouilles. Lorsqu'il apparait que cette disparition n'est pas un accident isolé, l'équipe se rend sur place pour récolter des indices.
L'équipe est intriguée par les étranges circonstances entourant l'explosion d'une bombe dans une gare à Philadelphie. Les découvertes de Walter au laboratoire ainsi que la menace d'autres explosions mènent Olivia et Peter à partir chercher des réponses en Irak.
Toujours en convalescence après sa traumatisante rencontre avec le fondateur de Massive dynamic, William Bell, l'agent Dunham absorbe un puissant breuvage prescrit par le Docteur Bishop pour retrouver la mémoire. Pendant ce temps, l'équipe enquête sur une série de cambriolages qui impliqueraient des polymorphes. Alors que les indices s'accumulent et que la mémoire revient peu à peu, une autre femme sur laquelle le Docteur Bishop a conduit des expérimentations apparait.Des flashbacks en révèlent un peu plus sur les moments que Dunham a passés dans la réalité parallèle.
L'équipe se rend à Seattle pour enquêter sur un homme affligé de visions effroyables qui l'ont conduites à attaquer son patron: ils doivent alors tenter de décoder des rêves. Pendant ce temps Broyle a une réunion avec Nina Sharp.
L'équipe Fringe enquête sur le cas de plusieurs victimes transformées en cendre par des décharges à haute énergie, et découvrent que ça pourrait avoir un lien avec le passé de Broyles.
La division Fringe enquêtes sur un kidnapping inhabituel ayant des connections avec Massive Dynamic.
Après leur enquête à Boston sur l'enlèvement, l'équipe Fringe se rapproche du mystérieux Observateur.
L'équipe enquête sur des cadavres sur lesquels des créatures sont accrochées. Olivia, Peter et Broyles découvrent que cette affaire est liée à une dangereuse organisation.
La Fringe Division enquête sur une institution psychiatrique après qu’un patient ait subit une opération du cerveau et commence à montrer une amélioration malgré son cerveau exposé. L’Agent Dunham fait une découverte sur elle-même après avoir vu les enregistrements des bandes de surveillance.
Pourtant annoncée décédée, une adolescente se réveille … mais se met à parler russe et à réciter les codes de lancements d’un sous-marin nucléaire.
La Fringe Team se rend à Edina pour enquêter sur le meurtre de trois agents de police. Ils se rendent compte que ces événements sont liés aux histoires que l’on raconte dans la région à propos de gens difformes…
Peter et Olivia se retrouvent mis en quarantaine dans l’immeuble où est mort un homme porteur d’un terrible pathogène.
Un tueur attaque un mariage avec une toxine qui cible un certain type d’individus, et Walter découvre que cette affaire peut être liée à l’histoire de son père.
Lorsque un immeuble de Manhattan est détruit par un tremblement de terre et que l’unique survivant se trouve être mélangé avec l’autre lui de la dimension parallèle, Walter emmène l’équipe à Jacksonville, là où lui et William Bell ont réalisé leurs expériences il y a des années, notamment sur une petite fille prénommée Olive Dunham …
Walter relate à Olivia les événements de 1985 qui ont conduit à l’enlèvement du Peter de l’autre monde.
Pendant qu’Olivia lutte pour ne pas révéler le secret que Walter lui a transmis, l’équipe enquête sur le cas d’une femme atteinte inexplicablement d’un cancer qu’elle n’a jamais eu.
Une séries de mort mystérieuses dans le wagon d’un train amène la Fringe division à enquêter sur un scientifique très puissant qui n’est pas sans rappeler Walter Bishop.
Le meurtre de deux adolescents marque le retour de Newton et son équipe de shapeshifter. Pendant ce temps, Peter se confie à Olivia au sujet de sa famille.
Walter oublie quelques instants ses soucis en racontant une histoire policière et musicale à Ella, la nièce d’Olivia.
Pendant que Peter, aidé de la shérif locale, enquête sur des meurtres qui semblent liés à Newton, Walter est inquiet à l’idée d’être renvoyé à Saint Claire.
Ayant besoin de l’aide de William Bell pour retrouver Peter, Walter et Olivia décident de faire le voyage « de l’autre coté », afin également de sauver le monde, voire peut-être les mondes …
Alors que la fin des mondes approche, Olivia et Walter, aidés de William Bell, doivent faire face à leurs choix et à leur destin.
