Olivia torna nella nostra realtà "attraverso" un incidente stradale causato da un uomo misterioso. Il caso viene affidato all'agente Jessup che aiuterà Peter e il dottor Bishop a rintracciare l'uomo e a trovare le prove che servono a Broyles per far sì che la sezione "fringe" non venga chiusa.

Olivia e Peter indagano su 6 persone scomparse nel nulla in Pennsylvania. Nel frattempo Walter cerca di ricreare in laboratorio il viaggio tra mondi paralleli di Olivia, utilizzando delle rane come cavie, mentre la stessa Olivia inizia ad avere degli strani sintomi.

Peter, Walter, Olivia e Broyles si recano a Philadelphia per indagare su un poliziotto che per una reazione chimica è esploso all'interno di una stazione ferroviaria. Le indagini condurranno Olivia e Peter in Iraq, seguendo le tracce di un progetto denominato " l'Uomo Latta".

Riprendendosi dal suo drammatico ritorno dopo il suo incontro con William Bell, Olivia beve una miscela potente preparata da Walter per stimolare la sua memoria. Walter intanto chiede aiuto a Rebecca, una delle sue vecchie cavie, per riuscire ad individuare i mutaforma.

A Seattle un uomo aggredisce il suo capo, convinto che sia una creatura diabolica. Olivia, Peter e Walter si recano sul posto per indagare. Nel frattempo Broyles incontra Nina Sharp della Massive Dynamic.

Peter e Olivia indagano per scoprire la causa di alcune persone morte polverizzate. Walter nel frattempo cerca di risolvere una formula matematica sempre legata al caso. Le indagini portano a legami con l'Unione Sovietica e riporta a galla vecchie ferite per Broyles.

Un ragazzo viene rapito da un gruppo di uomini, ma ben presto si scopre che il caso è molto più complicato del previsto in quanto il ragazzo possiede degli straordinari poteri. L'indagine prende delle pieghe pericolosissime quando la Fringe Division scopre il collegamento tra il rapimento e la Massive Dynamic.

A Boston una ragazza viene rapita da un uomo che assomiglia al misterioso Osservatore. Si scopre in seguito che lei avrebbe dovuto morire in un incidente aereo. Nel corso delle indagini la squadra Fringe arriva ad un passo dallo scoprire che cosa vogliono veramente gli Osservatori.

Su una spiaggia viene ritrovata una serie di cadaveri che ospitano degli strani esseri simili a calamari giganti. Il team Fringe indaga sull'origine di questi parassiti e scopre che questi potrebbero essere stati utilizzati per trafficare droga da una parte all'altra dell'oceano Pacifico.

Olivia e Peter indagano su tre misteriose guarigioni di pazienti rinchiusi in un manicomio. Scopriranno che il loro ritorno alla normalità è stato causato da un'asportazione di un corpo estraneo dal cervello.

In seguito ad una serie di strani omicidi che sfigurano le persone, la squadra di Fringe si reca a Edina City, una piccola città fuori New York, per cercare di risolvere lo strano caso. La squadra viene accolta in malo modo da tutti i cittadini.

In un ufficio di Boston un impiegato crolla a terra stroncato da un emorragia inarrestabile; Peter e Olivia, giunti sul luogo del decesso, si accorgono di essere di fronte ad un virus sconosciuto che potrebbe in poco tempo decimare la popolazione della città.

Un gruppo di invitati ad un matrimonio a Brookline, MA, viene avvelenato. Accorsa sulla scena del crimine, la squadra è alla ricerca dei moventi dell'atroce assassinio di gruppo e si imbatte nella pista di un possibile killer antisemita.

Una scossa di terremoto uccide tutti gli occupanti di un ufficio di Manhattan tranne uno. Le origini sospette dell'uomo portano il team a ritenere che la scossa non sia di origine geologica e che sia solo il preludio a qualcosa di molto più catastrofico.

Olivia è ancora scossa dalla scoperta che Peter proviene da un altro universo, e per questo Walter decide di raccontarle tutto dal principio. Si scopre così che Peter da bambino era molto malato e che Walter era disposto a tutto pur di trovare una cura e salvarlo.

Una donna muore per via di una serie di tumori cresciuti nel giro di pochi minuti. Altre morti simili portano la squadra a pensare che ci sia qualcuno che sta infettando altre persone. Nel frattempo Olivia è indecisa se dire o meno la verità a Peter sul suo conto.

I passeggeri di un treno vengono ritrovati morti, apparentemente perché depredati della propria energia cellulare. Le indagini portano ad un docente universitario che sembra abbia trovato il modo di viaggiare nel tempo. Intanto Walter è ancora indeciso se rivelare o meno a Peter la verità sul suo conto.

Il misterioso Thomas Newton torna alla carica cercando di aprire un varco tra i due universi. Il team Fringe scopre le sue intenzioni e cerca di fermarlo prima della riuscita del suo piano. Nel frattempo Walter cerca di trovare il momento giusto per rivelare la verità a Peter sul suo conto.

Olivia è impegnata nella ricerca di Peter e per questo porta la nipote Ella al laboratorio affidandola ad Astrid e Walter. Quest'ultimo le racconta una storia che ha come protagonisti tutti i membri della squadra Fringe.

Peter, in viaggio senza una meta, fa tappa in una piccola cittadina in cui avviene un omicidio. Le cose si fanno complicate quando si scopre che le modalità dell'uccisione sono uguali a quelle già note al team di Fringe. Peter cerca allora di indagare senza però contattare il resto della squadra.

Peter viene portato nell'universo parallelo e la squadra Fringe vuole recuperarlo per evitare una catastrofe che potrebbe distruggere entrambi i mondi. La squadra allora si prepara al passaggio tra gli universi e allo scontro con le proprie controparti nell'altro mondo.