Nel 2149, il poliziotto Jim Shannon viene condannato a sei anni di prigione per l'assalto a un altro agente. Due anni dopo la sentenza, la moglie Elisabeth, una dottoressa, viene mandata indietro nel tempo all'epoca dei dinosauri per tentare di creare un futuro migliore.

Il gruppo deve confrontarsi con i Sixer, dei colonizzatori che si oppongono all'esistenza di Terra Nova e ne prendono le distanze creando una colonia rivale. Uno dei Sixer, infatti, tenta di assassinare il Comandante Taylor.

Terra Nova viene attaccata da un folto gruppo di Pterosauri. Gli uomini allora lottano per salvare la colonia prima che venga completamente distrutta. Nel frattempo Elisabeth scopre che un suo ex fidanzato lavora a Terra Nova e potrebbe essere il responsabile della sua assunzione lì.

Elisabeth, Jim, Malcolm e Taylor indagano sul silenzio radio in un avamposto scientifico nei paraggi, scoprendo l'esistenza di un virus che causa perdita di memoria, paranoia e infine morte. Il gruppo cerca allora di trovare una cura al più presto.

Una ragazza orfana appartenente al gruppo dei Sixer cerca asilo dal gruppo, ma non tutti sono d'accordo riguardo all'eventualità di ospitare la ragazza. Taylor intanto inizia a sospettare che ci sia un traditore nelle sue file.

La colonia si ritrova ad affrontare la sua prima vittima. Si tratta di un omicidio, e tutti cercando di andare a fondo alla questione per scoprire chi è l'assassino. Nel frattempo Elisabeth e Skye cercano di salvare un Anchilosauro.

Un meteorite colpisce la colonia distruggendo tutto l'equipaggiamento e la tecnologia lì presente. Nel frattempo Maddy e Reynolds sono bloccati nella foresta, mentre Elisabeth e Sky lavorano assieme per salvare una vita.

Maddy inizia a lavorare come assistente dello scienziato più famoso e rispettato della colonia, ma la sua vita si ritrova in pericolo quando si imbatte in un terribili segreto. Nel frattempo Josh continua nel suo tentativo di portare la sua futura ragazza a Terra Nova.

Mentre Taylor cerca il "Sixer" su Terra Nova, Jim si imbatte in un omicidio del passato in cui è proprio il Comandante Taylor il principale sospettato.

Taylor e Mira si avventurano nella giungla e l'uomo scopre qualcosa in più sui piani della donna e su suo figlio, prima di affrontare una minaccia preistorica che li metterà a dura prova. Nel frattempo la talpa "Sixer" cerca di eliminare le proprie tracce per non farsi scoprire.

Lucas cerca di completare la costruzione del suo misterioso dispositivo prima dell'arrivo dell'undicesimo pellegrinaggio. Nel trattempo Jim e Taylor hanno un confronto con la talpa Sixer, mentre Skye ritrova un viso familiare.

L'undicesimo pellegrinaggio arriva a Terra Nova e il misterioso Gruppo Fenice del 2149 fa la sua mossa per modificare il passato con l'aiuto di Lucas e Mira. Jim e Taylor però cercano di rovinare i piani del gruppo. Prima parte del finale di stagione di due ore.