In Boston landet ein Flugzeug aus Hamburg - alle Insassen sind tot. Die FBI-Agentin Olivia Dunham und ihr Partner John Scott fahren zum Flughafen. Dort werden sie vom Einsatzleiter Special Agent Broyles erwartet. Eine erste Untersuchung gibt keinerlei Hinweise darauf, was geschehen sein könnte. Die Körper der Toten sind nahezu aufgelöst und schrecklich entstellt. Erste Ermittlungen führen die beiden zu einer Lagerhalle, in der die beiden ein geheimes Chemielabor finden ...
Vor Jahren hat Walter mit seinem Kollegen Penrose für die Regierung ein Verfahren entwickelt, mit dem man im Schnellverfahren Soldaten "züchten" kann. Dieses Verfahren muss Penrose jetzt in die Praxis umgesetzt haben, denn ein Mann namens Christopher treibt sein Unwesen in der Stadt und überfällt junge Frauen, um ihnen ein lebenswichtiges Hormon zu entlocken, welches ihn jung hält. Als sich die Todesopfer mehren, liegt es an Olivia und ihrem Team den Fall aufzuklären ...
Roy McComb, ein einfacher Büroangestellter, hat Visionen von Katastrophen bevor sie geschehen. Das Team um Dr. Bishop findet heraus, dass Roy als Jugendlicher bei einem Experiment von Walter mitgemacht hat, bei dem ihm Metallverbindungen injiziert wurden, die nun "hellseherische" Fähigkeiten in ihm hervorrufen. Nun liegt es an Olivia und Charlie einen Attentäter festzunehmen, bei dessen Anschlag eine DEA-Agentin ums Leben gekommen ist ...
Als ein Metallzylinder eine rätselhafte Explosion hervorruft, wird Olivia von Broyles auf diesen Fall angesetzt. Der kahlköpfige Mann, der immer dann auftaucht, wenn es Vorfälle im Zusammenhang mit "dem Schema" gibt, gibt Walter unbewusst den Auftrag den Zylinder zu begraben. Ein zweiter Mann, ein Finsterling, entführt daraufhin Peter, der ihm den Aufenthaltsort des Zylinders verraten soll ... Nur Walter allein kann die ganze Sache aufklären - doch was steckt hinter dem Zylinder?
Joseph, der elektrische Geräte lahmlegen kann, ohne es zu wissen, war Verursacher eines Fahrstuhlabsturzes, bei dem alle Insassen ums Leben kamen - nur er nicht. Vor vielen Jahren hat Walter Versuche mit der Elektrifizierung von Menschen gemacht. Ein gewisser Dr. Fischer hat sich nun der Aufzeichnungen angenommen und weiterentwickelt ... Der verstorbene John erscheint Olivia immer häufiger und unterstützt sie bei der Aufklärung des Falles im Zusammenhang mit "dem Schema".
Kurz nachdem die junge Emily in einem Diner auftaucht, sind sie und alle Anwesenden tot. Walter untersucht die Leiche und entdeckt, dass die Frau unter einer Krankheit litt, die jedoch abzuklingen schien. Eine weitere Kranke, die kürzlich entführt wurde, und Emily haben sich scheinbar eigenmächtig auf die Suche nach einem Heilmittel gemacht - mit einem gefährlichen Ausgang ...
Agent Loeb, ein Freund von Broyles, wird bei einem Einsatz von einem merkwürdigen Parasiten befallen. Broyles und Loebs Frau Samantha sind fieberhaft bemüht, ihm zu helfen. Walters Wissen reicht jedoch nicht aus, um den Mann zu retten. Daraufhin reist Olivia nach Deutschland, wo der Brite David Jones einsitzt. Nur er kann ihr sagen, wie der Parasit zu beseitigen ist. Doch als Gegenleistung verlangt er, mit seinem Komplizen Joseph Smith zu sprechen - der ist allerdings tot.
Das kleine Musikgenie Ben wird von einer Frau entführt, die angeblich vor Jahren bei einem Unfall ums Leben gekommen sein soll. Unter dem Druck seiner Entführerin soll Ben eine Komposition vollenden, die einer Gleichung von Walters Freund Dashiell entspricht. Dashiell war ebenfalls Opfer der Entführerin und sitzt seit seiner Rückkehr in der Nervenklinik. Walter versucht nun, durch ihn an den Aufenthaltsort von Ben zu kommen und das Rätsel um die Gleichung zu lösen.
Ein Angestellter von Massive Dynamic, Mark Young, springt nach einer Sitzung aus dem Fenster. Er hat am ganzen Körper Wunden, die aus dem Innern zu kommen scheinen. Young hat sich kurz vor seinem Tod eingebildet, dass ihn ein Schmetterlingsschwarm angreift. Walter geht dem Todesfall auf den Grund ... Olivia hingegen hat immer öfter Visionen von John Scott und versucht diese Erinnerungsfetzen loszuwerden.
Olivia und Walter untersuchen eine Serie von Bankrauben. Dabei machen sie einen schockierenden Fund: Einer der Verdächtigen befindet sich innerhalb einer Tresorwand und es macht den Anschein als wäre die Wand um ihn herum fest geworden. Walter zufolge haben die Diebe eine Möglichkeit gefunden die physikalischen Gesetze außer Kraft zu setzen. Hinzu kommt, dass diese Menschen vermutlich hinter irgendetwas her sind, das ihm gehört. Im Laufe der Ermittlungen tauchen immer größere Mysterien auf doch mit einem Überfall auf die Ermittlungscrew wird alles Vorherige übertroffen.
Nachdem FBI Agent Mitchel Loeb dafür sorgte, dass David Robert Jones aus dem Gefängnis ausbrechen kann, zeichnen sich neue Gefahren ab. Als wäre nicht schon alles heikel genug, wird noch einer von Olivias ehemaligen Widersachern einberufen, um eine Prüfung der Fringe Abteilung durchzuführen. Außerdem kommt Olivias Schwester Rachel auf einen Besuch vorbei. Der Zeitpunkt könnte jedoch nicht unpassender sein, denn das Team kämpft gegen die Zeit bei dem Versuch den grotesken Mord an einem angesehenen Epidemiologen aufzuklären. Das Ganze könnte sogar Hinweise zu Olivias Entführung geben es besteht aber auch die Gefahr einer Epedemie, weshalb die Zeit drängt.
Greg, ein ganz normaler Teenager, stirbt vor seinem Computer - sein Hirn hat sich verflüssigt. Als kurz darauf ein zweites Opfer gefunden wird, fragt Olivia bei Gregs bestem Freund Luke nach, ob dieser weiß, wie das passieren konnte. Das nächste Opfer ist Lukes Stiefvater, und allmählich wird ein Muster erkennbar. Wer steckt hinter den Morden, und was hat Luke damit zu tun? Unterdessen bekommt Walter einen Brief, der bei Peter schwere Gewissensbisse hervorruft.
Während eines Fluges mutiert einer der Passagiere zum Werwolf und greift Menschen an Bord an - das Flugzeug stürzt ab. Ein Fall für Olivia und ihr Team. Bei dem Mutierten handelt es sich um Marshall Bowman, einen Freund von Daniel Hicks und John Scott. Haben die drei einer Bio-Terror-Gruppe angehört und wurden deshalb mit einem Virus infiziert? Olivia steigt erneut in den Tank, um mit John zu sprechen und die Wahrheit herauszufinden.
Als Fälle auftreten, bei denen Menschen sämtliche Körperöffnungen zuwachsen und diese sterben, vermutet Olivia, dass Jones hinter der Sache steckt. Jones will sich Olivia stellen - wenn sie auf seinen Deal eingeht. Sie soll durch die Kraft der Gedanken ein Schaltbrett mit brennenden Lämpchen ausschalten. Wird Olivia das tatsächlich schaffen? Indes findet Peter ein Manuskript mit dem Titel "Zerstörung durch Fortschritte in der Technik" - der Verfasser ist sein eigener Vater.
Bauarbeiter finden unter der Erde einen blassen Jungen, der dort jahrelang gelebt haben muss. Olivia stellt bald fest, dass sie eine starke Verbindung zu dem Kind hat. Der Junge gibt ihr ohne Worte Informationen, die ihr helfen, einen schwierigen Fall zu lösen, doch da taucht ein CIA-Agent auf, der Anspruch auf den Jungen erhebt. Wird es Broyles und Olivia gelingen, den Jungen vor dem CIA und deren wissenschaftlichen Versuchen zu retten?
Eine Gruppe Studenten befreit Versuchstiere aus einem Labor, nichtsahnend, dass sich darunter ein Monster befindet. Als Charlie angegriffen wird, legt das Monster Eier in dessen Körper, wo sie zu Larven heranwachsen und ihn umzubringen drohen. Da Walter selbst vor Jahren Forschungen über ein solches Wesen verfolgt hat, fühlt er sich nun verantwortlich und möchte das Ungeheuer mit seiner eigenen Brut anlocken, um es dann zu töten ...
Olivia träumt wie sie selbst einige Leute ermordet. Das Team findet heraus, dass die Leute von denen Olivia geträumt hat, wirklich gestorben sind. Allerdings scheint es sich um Selbstmorde zu handeln, da keine Hinweise auf einen Täter schließen lassen. Schließlich findet das Team heraus, dass ein Mann in Zusammenhang mit den Morden steht. Nick Lane wurde als Kind - ebenso wie Olivia - mit Cortexiphan behandelt. Er überträgt unabsichtlich seine Emotionen auf andere Leute, die sich daraufhin selbst umbringen. Kann Olivia Nick finden und rechtzeitig stoppen?
Das Team untersucht seltsame Mordfälle, bei denen die Rückenmarksflüssigkeit der Opfer entnommen wurde. Eine Spur führt sie zu dem Wissenschaftler Nicholas Boone, welcher ein Mitglied der Terroristenorganisation ZFT ist. Er verrät, dass seine Frau Valerie mit einem Virus infiziert wurde und sie deswegen die Rückenmarksflüssigkeit ihrer Opfer benötigt. Während Olivia und Peter Valerie suchen, bemühen sich Walter und Boone ein Gegenmittel herzustellen. Als Valerie erfolgreich geheilt werden kann, verrät Boone alles, was er über ZFT weiß.
Als eine junge Frau auf offener Straße verbrennt, werden Olivia und ihr Team zum Tatort gerufen. Schon bald sieht Olivia Dinge, die nicht da sind. Walter erklärt ihr, dass diese Visionen von ihren Reisen zu Scott stammen. Kurze Zeit später macht sie jedoch eine schreckliche Entdeckung: Bereits als Kind hatte sie mit Walter und dessen Partner William Bell zu tun.
Als Nina Sharp überfallen und in die Notaufnahme eingeliefert wird, liegt es an Broyles Team herauszufinden, wer hinter dem Anschlag steckt. Es stellt sich heraus, dass der Bioterrorist David Robert Jones gemeinsame Sache mit William Bell macht. Walter verschwindet auf mysteriöse Weise - als er wieder auftaucht, macht er seinem Sohn ein überraschendes Geständnis.