Dopo gli eventi della fine della passata stagione Olivia si ritrova imprigionata nell'universo parallelo e cerca un modo per fuggire. Nel frattempo Peter e Walter continuano a vivere e lavorare normalmente, ignari che al loro fianco non c'è la vera Olivia ma il suo doppio.

La storia si alterna tra i due mondi paralleli. Nel nostro mondo il team di Fringe investiga sulla morte di alcune persone che sembra venga causata da una misteriosa scatola. Peter cerca di capire le proprietà di questo oggetto, mentre Walter e Nina leggono insieme il testamento lasciato da William Bell.

Una serie di eventi anomali porta la squadra Fringe dell'universo parallelo ad indagare su alcuni incidenti dalle conseguenze catastrofiche. I crimini sono molto strani perché messi in moto da piccoli eventi che però provocano reazioni a catena.

Un politico rimane coinvolto in un incidente d'auto; le indagini della squadra Fringe riveleranno che l'uomo era stato sostituito da tempo da un mutaforma. Il dottor Bishop cerca allora di studiare il cadavere della creatura per scoprire qualcosa in più su questi esseri.

Nell'universo parallelo un uomo riesce a recuperare il corpo del fratello da un'area posta sotto quarantena attraverso l'utilizzo di ambra. La squadra Fringe riceve l'ordine di chiudere il caso al più presto perché nessuno deve sapere che i corpi intrappolati nell'ambra sono ancora vivi.

Tre persone perdono la memoria dopo aver ascoltato delle onde radio ad una particolare frequenza. Le indagini rivelano l'esistenza di alcune stazioni radio che si basano su una serie di codici crittografati, a cui è impossibile accedere se non craccandoli.

Olivia cerca di tornare nel proprio universo e per farlo chiede aiuto ad Henry, il tassista che l'aveva salvata qualche tempo prima. Nel frattempo la Fringe Division inizia le indagini su un bambino che è stato rapito nella sua stanza.

Peter deve fare conti con le recenti rivelazioni sull'identità della sua compagna, mentre nell'universo parallelo Olivia è alla disperata ricerca di un alleato. Nel frattempo la squadra Fringe scopre l'esistenza di un apparecchio in grado di comunicare tra i due universi.

La squadra Fringe indaga sul rapimento di una persona a cui è stato asportato il cuore. Nel frattempo Peter cerca di inquadrare la sua relazione con Olivia, che è tornata dall'universo parallelo, raccontandole quello che è successo in sua assenza.

L'Osservatore contatta la squadra Fringe per correggere un errore. Nel frattempo, il Dr. Bishop incontra il tastierista di una band degli anni 70 di cui era un grande fan. Nel corso della conversazione scoprirà anche il motivo dello scioglimento della band.

La squadra fa visita al misterioso macchinario che potrebbe distruggere i due universi e scopre che Peter può far partire il suo funzionamento. Nel frattempo un mutaforma viene ritrovato morto e Astrid studia i file rimasti nel computer dell'Olivia dell'altro universo.

Uno scienziato muore dopo essere venuto a contatto con una nuvola blu piena di una sostanza letale. La squadra Fringe inizia ad indagare e presto scopre che potrebbe trattarsi dell'inizio di una serie di attacchi terroristici.

Riprende la narrazione delle vicende dell'universo parallelo: l'assenza del colonnello Broyles cambia la situazione nella squadra Fringe mentre si ritrova ad indagare su un insetto ghiotto di carne umana. Nel frattempo Olivia si ricongiunge ai suoi amici e colleghi.

La squadra Fringe indaga su una serie di strani e misteriosi eventi accaduti in un condominio di Boston. Ben presto le indagini rivelano la presenza di un passaggio tra gli universi che potrebbe presto diventare un buco nero in grado di inghiottire tutta la città.

Nella scorsa stagione abbiamo dato uno sguardo al passato di Peter, mentre ora un flashback ci riporta indietro nel tempo per vedere dei momenti importanti della vita del Dr. Walter Bishop e di Olivia, ai tempi degli esperimenti scientifici sui bambini.

La squadra Fringe indaga su un gruppo di rapine molto strane: i ladri infatti sembrano in grado di superare le leggi di gravità. Nel frattempo, Walter cerca un modo di rallentare il deteriorarsi della materia che fa da cuscino tra i due universi.

Bell ha ormai preso il possesso del corpo di Olivia e in attesa di trovarne un altro più adatto aiuta la squadra a risolvere uno strano caso che ha a che fare con una donna apprentemente immortale, la quale cerca di aiutare uomini e donne sul punto di suicidarsi.

La storia riprende a narrare gli eventi dell'universo parallelo. Olivia, ancora sconvolta dalla scoperta di aspettare un bambino, viene rapita da un gruppo di uomini. La squadra Fringe si lancia immediatamente alla sua ricerca.

La squadra cerca in tutti i modi di risvegliare Olivia trasferendo la coscienza di Bell in un altro corpo. Dopo alcuni tentativi falliti Peter e Walter decidono di "entrare" nella coscienza di olivia per trovarla e convincerla a tornare a casa.

La misteriosa macchina azionata dal DNA di Peter viene attivata dall'altro universo e la squadra Fringe cerca in tutti i modi di spegnerla prima che riesca a distruggere l'universo. Per farlo deve chiedere aiuto a Sam Weiss, che sembra sapere come utilizzare la macchina.

Olivia si ritrova a costretta a fidarsi del misterioso Sam Weiss e a seguirlo in una missione molto pericolosa, in una lotta contro il tempo per salvare l'universo dalla distruzione ordinata dal governatore Bishop dell'altro universo.