Un extraño accidente de avión es el punto de partida, en el cual la agente del FBI Olivia Dunham solicitará la ayuda del científico Walter Bishop, con fama de uno de los científicos más brillantes del mundo, que lleva encerrado en una institución psiquiátrica más de 17 años. La única forma de lograr que el Dr. Bishop salga para colaborar en las investigaciones del FBI es que un pariente cercano lo supervise, y éste será su hijo Peter, que no mantiene ningún tipo de relación con su padre desde hace años. Juntos empezarán a investigar una serie de sucesos extraños, inexplicables por la ciencia tal y como la conocemos hoy día, lo que llevará a una exploración límite al cuerpo humano, las nuevas tecnologías e incluso otros universos desconocidos.