A una settimana dal sacrificio di Peter Bishop, i due mondi si sono accordati per una tregua e cercano di lavorare insieme per risolvere la situazione. Intanto Lincoln Lee si unisce alla squadra Fringe e il primo caso riguarda un mutaforma.

Nell'altro universo un killer che sembra essere molto intelligente e sopratutto infallibile continua a mietere vittime. Le squadre dei due universi si uniscono per catturare l'uomo, e per farlo chiedono l'aiuto del suo doppio nell'altro universo.

Due ragazzi accusati di bullismo vengono ritrovati morti, e nel giro di poco tempo i loro corpi si decompongono completamente. Walter però non riesce a concentrarsi in quanto vittima di forti allucinazioni che lo distraggono.

Olivia entra in contatto con una fonte di energia molto potente che potrebbe avere a che fare con gli esperimenti compiuti su di lei da Walter quando era piccola. I due vanno a New York per esaminare i vecchi file, con il dottore che per la prima volta dopo anni deve lasciare il laboratorio.

Dei mutaforma iniziano a seminare il panico nel Paese e la squadra si ritrova a chiedere aiuto a un ex scienziato della Massive Dynamic. Nel frattempo Nina Sharp fa una visita a sorpresa nel laboratorio di Walter.

La squadra Fringe deve trovare il collegamento tra alcune anomalie che si sono verificate nello spazio-tempo, probabilmente causate dal ritorno di Peter. Le indagini però rivelano che tra le possibili cause ci sono anche un ingegnere e sua moglie, una professoressa di fisica teoretica.

Un uomo muore in circostanze misteriose e il suo cadavere diventa rapidamente di un colore biancastro. La squadra Fringe scopre ben presto che non si tratta di un incidente isolato, e che ci sono degli indizi che fanno pensare che l'omicida sia una persona con un problema genetico.

Nel disperato tentativo di ritrovare la via di casa, Peter viaggia fino all'altra dimensione per avere un confronto diretto con Walternate. Nel frattempo Olivia riceve una rivelazione scioccante da parte di un Osservatore.

La visita di Peter nell'altro universo subisce una svolta quando la FRINGE division dell'universo parallelo si ritrova di fronte un nuovo nemico e deve lottare contro il tempo per evitare nuove vittime.

Peter e il resto della squadra si imbattono in una giovane donna che sembra avere la facoltà di prevedere l'arrivo della morte. Nel frattempo Olivia è ancora scossa dalla discussione con l'Osservatore e dalla sua catastrofica profezia.

Astrid riceve una visita inaspettata dalla sua controparte dell'altro universo, mentre il resto della squadra cercano di rintracciare un killer usando una tossina che ancora deve essere inventata nel nostro mondo.

Nei pressi della cittadina di Westfield qualcosa di strano accade alle auto: improvvisamente smettono di funzionare e un aereo, avendo perso i controlli, precipita uccidendo tutti i viaggiatori. La squadra si mette al lavoro per risolvere questo caso misterioso.

La squadra Fringe indaga su un uomo con problemi mentali che sembra essere connesso a una serie di omicidi. Gli indizi ritrovati nel corso delle indagini rivelano a Olivia una verità scioccante.

Peter e il resto del team sono costretti a prendere delle misure straordinare per fermare una serie di eventi che potrebbero mettere in pericolo l'Universo.

Walter riesce a fermare Peter che, per allontanarsi da Olivia, vuole andare a New York. Tornato in laboratorio, Walter scopre che l'Osservatore ha lasciato qualcosa nell'occhio del ragazzo.

A causa dei suoi ricordi confusi, Olivia viene esonerata per un periodo dalla Fringe Division mentre Peter, chiamato da Lincoln, si trova a collaborare ad un caso già risolto nella sua linea temporale.

Visti gli impegni dei suoi colleghi, Lincoln decide di andare nell'altro universo per collaborare con l'altra Olivia riguardo il caso David Jones. Qui, Lincoln viene reso partecipe di un caso che, proprio grazie a lui, viene classificato come di interesse riguardo David Jones.

In seguito ai funerali di Lincoln, Olivia chiede a Broyles di far controllare i membri della Fringe Division, sospettando che tra di loro ci sia una talpa. I risultati però, non fanno emergere niente di utile.

2036: il mondo è nelle mani degli Osservatori. Scopriamo che nel 2015 essi smisero di osservare e si spinsero ben oltre, uccidendo migliaia di persone e salendo al potere. Sono loro che controllano l'andamento delle cose; la neo Fringe Division è sempre sotto il controllo di Broyles, che però è supervisionato da un Osservatore di nome Windmark.

In tutto il mondo si stanno verificando degli strani terremoti che coincidono nei due universi. Durante una riunione indetta da Walter, quest'ultimo espone il grave problema che Jones sta procurando: l'uomo vuole infatti far esplodere entrambi gli universi per creare un nuovo Big Bang.

Una strana reazione causa diverse morti in una stazione. Sul posto si reca subito la Fringe Division, che grazie alla genialità di Walter e all'aiuto dato da Jessica, una ragazza rimasta coinvolta nell'apparente dispersione di un virus, riesce a capire che dietro tutto c'è una nanotecnologia creata artificialmente.