2036. Ein Beobachter-Heer hat die Weltherrschaft übernommen. Die Menschen werden unterdrückt – einige leisten Widerstand, andere sind ergebene Diener. Walter und das Fringe-Team haben sich in Bernstein versiegelt, um so die Welt von den Unterdrückern zu befreien. Der Plan zur Rettung der Menschheit wurde von September entwickelt und befindet sich in Walters Gehirn. Er ist allerdings in viele Teile aufgeteilt, damit die Beobachter ihn nicht durch Gedankenlesen ausspähen können.
Walter hat während seiner Gefangenschaft bei den Beobachtern Teile seines Gedächtnisses verloren; daran kann auch der assoziative Gedankenintegrator nichts ändern. Kurzerhand macht sich das Fringe-Team zur Harvard Universität auf, um dort nach Aufzeichnungen oder anderen Hinweisen zu suchen und so Walters Erinnerungen zu wecken. In Walters altem Labor finden sie tatsächlich eine Videokamera, die allerdings, wie weite Teile des Labors, in Bernstein eingeschlossen ist …
Walter hat jede Erinnerungen an den Plan, die Beobachter zu bekämpfen, verloren, aber es gibt Videotapes, auf denen er minutiös dargelegt hat, wie die Invasoren besiegt werden können. Der erste Hinweis führt nach Pennsylvania. Hier lebt eine Gruppe von Menschen allein im Wald in der Nähe einer verlassenen Goldmine. Dort muss das Fringe-Team laut Walters Videobotschaft ein Mineral sammeln, das letztlich die Energiequelle für den Gegenangriff liefern soll.
Die nächste Videokassette führt das Fringe-Team zu einem U-Bahnhof, wo eine Röhre versteckt ist; das ganze Gebiet ist aber gut von den Beobachtern gesichert. Dem Team gelingt es, ein Ablenkungsmanöver zu inszenieren und die Röhre sicherzustellen. Doch einer der Loyalisten schafft es quasi in letzter Sekunde, einen Sender an ihrem Auto zu platzieren, sodass die Beobachter das Fringe-Team jederzeit aufspüren können. Es beginnt ein erbitterter Wettlauf gegen die Zeit …
Nach Ettas Tod versuchen Olivia und Peter nicht zu verzweifeln. Sie setzen ihren Kampf gegen die Beobachter umso energischer fort. Offenbar lassen diese sich aus der Zukunft Einzelteile für die Luftverschlechterungsapparate schicken. Als Anil einen der Beobachter gefangen nimmt, erfährt die Fringe-Division mehr über das Vorgehen der Feinde. Nun gilt es, das Wurmloch, das als Korridor zwischen Gegenwart und Zukunft funktioniert, kollabieren zu lassen.
Walter holt eine weitere Videokassette aus dem Bernstein. Darauf ist er vor 20 Jahren zu sehen und beschreibt den Weg zu einer Wohnung. Nun begibt er sich noch einmal allein dorthin, folgt den Instruktionen, die er auf dem Band vorfand und gelangt in ein sogenanntes Taschen-Universum. In der Parallelwelt herrschen andere physikalische Gesetze – und bald bemerkt Walter, dass er nicht allein ist: Ein Mann folgt ihm. Auch die übrige Fringe-Division begibt sich auf Walters Spur.
Peter kann dank seiner neuen Fähigkeit, in die Zukunft zu sehen, das kommende Geschehen manipulieren. Das hilft ihm einerseits dabei, im Alleingang einige Beobachter auszuspionieren. Doch auch das Fringe-Team wird davon profitieren, als es nach zwei Zylindern sucht, auf deren Spur sie eine weitere Videokassette aus dem Bernstein bringt. William Bell berichtet auf dem Band, dass er die zwei Komponenten einst in einem Lagerhaus deponiert hat, von dem nur noch Trümmer stehen.
Noch immer ist Peter in New York hinter Captain Windmark her. Er will sich an ihm für Ettas Tod rächen. In der Nähe von Boston folgt Olivia derweil einer Spur, auf die sie ein neues Videoband brachte: Auf einem Schrottplatz muss sie einen riesigen Magneten besorgen. Dort wird sie bereits von einer Frau, die offenbar hellsehen kann, erwartet: Simone. Walter entdeckt unterdessen, dass das Gerät in Peters Nacken massive Auswirkungen auf sein Gehirn hat.
Das Radio, das das Fringe-Team im Taschenuniversum gefunden hat, gibt plötzlich ein Signal von sich. Olivia und Peter machen sich auf die Suche nach der Quelle und reisen mit Astrid und Walter zu einer kleinen Insel, auf der sich Carolyn und Richard um ein Kind der Beobachter kümmern: Michael. Walters Sinne sind unterdessen von der Droge Black Blotter beeinträchtigt, die ihm kunterbunte Halluzinationen beschert. Sie soll ihn auf eine komplizierte Hirn-Operation vorbereiten.
Peter, Walter und Olivia versuchen, mit Nina Sharps Hilfe, Kontakt zu Michael aufzunehmen, da er sie anscheinend nicht versteht und nicht verbal mit ihnen kommunizieren kann. Währenddessen wird Nina durch Captain Windmark enttarnt und überführt. Um ihre Gedanken nicht preis zu geben, tötet sich Nina selbst mit einem Kopfschuss. Michael offenbart Walter, dass Donald der Beobachter September ist.
Walter unternimmt eine Reise in sein Unterbewusstsein: Er begibt sich dazu in einen Wassertank und findet in der Trance eine Spur zu September. Der gibt ihm entscheidende Informationen. Das Fringe-Team ahnt bereits, dass Michael, der junge Beobachter, eine große Bedeutung für ihre Mission hat. Nun rückt der Sieg über der Beobachter tatsächlich in greifbare Nähe, als Peter, Olivia und Walter erfahren, wie Captain Windmark und seine Leute entstanden sind.
Michael hat das Fringe-Team verlassen und ist nun bei den Beobachtern, die ihn auf Liberty Island festhalten. Der stumme Junge war die große Hoffnung der Gruppe, die Welt von den Feinden zu befreien. Um ihn zurückzuholen, gibt Walter Olivia eine Dosis Cortexiphan. So gelangt sie noch einmal ins Paralleluniversum. Was sie und die anderen nicht ahnen, während sie nach Michael suchen: Das Kind schadet Captain Windmark und seinen Leuten mehr, als dass er ihnen hilft.
Dem Fringe-Team ist es gelungen, den kleinen Michael aus den Händen der Beobachter zu befreien. Nun können sie sich endlich daran machen, die Invasion der Feinde zu stoppen. Die Zeitmaschine ist inzwischen zusammengebaut, doch als man sie starten will, um einen Korridor zu schaffen, gibt es Probleme. Außerdem entdeckt Peter das letzte Videoband von Walter. Es enthält eine überraschende Nachricht seines Vaters an ihn.