Olivia Dunham é uma obstinada agente do FBI e tem John Scott como parceiro de trabalho. Quando um avião pousa no modo automático em Boston com toda a tripulação e passageiros mortos de maneira brutal, a dupla é encaminhada para o local para investigar o caso. No decorrer da investigação, John acaba gravemente ferido e numa corrida frenética para salvar seu parceiro e descobrir o que está por trás do incidente, Olivia conta com a ajuda do cientista Walter Bishop, que está internado num hospital psiquiátrico por 17 anos e é considerado o Einstein da nossa geração. Para tirá-lo do hospital, ela precisa da autorização de Peter, filho de Walter, que nutre um sentimento de desprezo por ele. Os três farão parte de uma equipe chamada Fringe Division, que investiga fenômenos paranormais chamados "Padrão". Eles então descobrem que o incidente com o avião é apenas a ponta do iceberg de uma grande conspiração científica que poderá ruir as estruturas do universo.