Une femme décède après avoir accouché d'un fœtus devenu vieillard en l'espace de quelques minutes. Olivia fait le lien avec une ancienne enquête sur un tueur en série sur lequel elle avait travaillé avec l'agent Scott. Walter Bishop se lance dans des tests dans son laboratoire pour tenter de comprendre l'effroyable phénomène.

Les passagers d'un bus sont victimes d'un terrible événement. Un gaz propagé dans l'enceinte du véhicule les laisse sans vie, comme pris dans de l'ambre. L'enquête mène Olivia, Walter et Peter vers un homme qui aurait eu une vision du drame avant que celui-ci ne se produise.

Une explosion a lieu dans un chantier de construction à New York. Un objet cylindrique mystérieux est retrouvé dans les décombres. Des clichés des lieux indiquent la présence d'un homme chauve et imberbe. Olivia réalise que cet homme mystérieux figure sur les photos des scènes d'événements surnaturels. Olivia propose à Peter de devenir consultant pour le FBI.

Un ascenseur s'écrase du 26e étage d'un building, entraînant la mort de huit personnes. Le seul rescapé est un jeune homme, employé dans une société de coursiers, qui semble entraîner, malgré lui, des défaillances dans les systèmes électroniques. Au cours de l'enquête, Walter Bishop comprend que la catastrophe est due à l'influence électromagnétique d'un individu. Olivia est en proie à des hallucinations où John lui parle.

Une jeune femme terrorisée et couverte d'hématomes s'installe au bar d'un restaurant. Alors qu'un agent de police tente de l'aider, toutes les personnes présentes sont prises d'horribles saignements et meurent sur le coup. En examinant les corps, Walter s'aperçoit que les victimes ont toutes été soumises à de fortes radiations. Ces circonstances inhabituelles font suspecter au trio d'enquêteurs des expériences illégales sur des cobayes humains. Quand une autre jeune femme disparaît, Olivia doit la retrouver avant qu'elle aussi soit sacrifiée.

Un agent du FBI se retrouve entre la vie et la mort parce qu'un mystérieux parasite s'est accroché à son cœur. Olivia doit se rendre en Allemagne pour interroger Robert David Jones, un biochimiste emprisonné qui pourrait avoir conçu le parasite

Le kidnapping d'un jeune prodige de la musique semble avoir un lien avec le malade qui partageait la chambre de Walter lors de son internement en hôpital psychiatrique. Peter est consterné par la détermination d'Olivia à vouloir que Walter retourne à l'institut psychiatrique pour résoudre l'enquête.

Persuadé d'être attaqué par des papillons, un employé de Massive Dynamics se jette de la fenêtre d'un immeuble pour leur échapper. Walter découvre qu'on lui a administré un puissant hallucinogène.

Alors qu'ils enquêtent sur une série de braquages de banque, Olivia, Walter et Peter découvrent un homme emmuré dans l'enceinte du coffre-fort. Il semble avoir utilisé une technique avant-gardiste permettant de passer à travers les murs. La situation devient vraiment dramatique quand Olivia tombe dans une embuscade.

Olivia parvient à échapper à ses ravisseurs après avoir subi une étrange intervention médicale, orchestrée par l'agent du FBI Mitchell Loeb. De nouveau au complet, l'équipe enquête sur la mort d'un épidémiologiste renommé, tué par un redoutable virus. Son décès semble lié à l'enlèvement d'Olivia.

Olivia, Walter et Peter sont amenés à enquêter sur la disparition d'un vendeur de voitures et d'un adolescent, ils ont été retrouvés morts, devant leur ordinateur, leurs cerveaux liquéfiés. Le trio tente de comprendre comment le tueur s'y est pris. Mais les morts s'accumulent et un être cher à Olivia est menacé.

Olivia, Peter et Walter sont appelés sur le site d'un crash d'avion, car on y a retrouvé des restes humains ayant subit une mutation déroutante. Olivia et Peter doivent s'infiltrer clandestinement pour enquêter sur cette étrange menace.

Des policiers allemands interrogent Olivia sur sa relation avec David Robert Jones, échappé de prison quelques mois plus tôt, et qui vit désormais aux Etats-Unis. Plusieurs personnes meurent par asphyxie ; elles ont été touchées par une mystérieuse affliction qui provoque une obstruction rapide et irréversible de leurs voies respiratoires. La division Fringe enquête sur ces mystérieux décès. Au fur et à mesure de l'avancée de l'investigation, Olivia est confrontée à de nouveaux dangers.

Alors qu'un tueur en série particulièrement macabre refait surface, un mystérieux enfant muet est découvert dans les sous-sols d'un immeuble en phase de démolition. Olivia, Walter et Peter tentent de comprendre comment il a pu survivre dans cet environnement hostile, d'autant plus que le jeune garçon semble posséder un don qui pourrait permettre d'arrêter le meurtrier.

Un groupe d'activistes défendant les droits des animaux pénètre par effraction dans un laboratoire d'expérimentations animales. Leurs corps sont retrouvés déchiquetés. Après les premières analyses, Walter pense que les blessures ont été causées par différents animaux ou par une espèce hybride créée par l'Homme. Charlie est attaqué par cette bête effrayante.

Un suicide a lieu à la gare centrale de New York. L'agent Dunham en a rêvé pendant son sommeil… Déconcertés par cette coïncidence extraordinaire, Olivia, Walter et Peter approfondissent leur enquête. Malheureusement, la situation empire.

Un tueur enlève à chacune de ses victimes sa moelle épinière. Olivia, Peter et Walter tentent de l'arrêter...

Olivia souffre de visions. Elle utilise, ensuite, cette faculté afin de comprendre pourquoi une femme a pris feu. Walter tente de prouver que Bell n'est pas impliqué avec le ZFT.

Une personne proche de la division Fringe est attaquée. Le bioterroriste David Robert est de retour. Walter disparaît mystérieusement. Nina demande une faveur à Olivia.