Olivia Dunham, un agent du FBI, est chargée d'enquêter sur une série de phénomènes terroristes inexpliqués et extrêmement puissants. La piste qu'elle suit la mène au professeur Walter Bishop, scientifique très réputé, à la limite de la folie et spécialiste de la science marginale(téléportation, régénération cellulaire...). Ensembles, ils devront se confrontés à des phénomènes paranormaux sur lesquels ils devront enquêter.