L'agent spécial du FBI Olivia Dunham, le scientifique Walter Bishop, brillant mais anciennement interné, et son fils Peter, intrigant et réticent, découvrent un mystère mortel impliquant une série d'événements incroyables et réalisent qu'ils font peut-être partie d'un projet plus vaste et plus inquiétant qui brouille la frontière entre science-fiction et technologie.