Le vol international 627, en provenance de Hambourg, atterrit sur le tarmac de Boston. A l'intérieur de l'appareil, ne gisent que des cadavres. Deux agents du FBI, Olivia Dunham et John Scott, sont appelés sur les lieux. Ils vont devoir enquêter sous les ordres de Philip Broyles, à la tête de l'unité spéciale Fringe. Olivia et John pensent bientôt que les passagers et les membres de l'équipage du vol 627 ont tous été victimes d'un mystérieux virus. C'est alors qu'une explosion se produit. Olivia cherche de l'aide auprès de Walter Bishop, un scientifique fou, interné dans un institut spécialisé depuis 17 ans, et de son fils, Peter. Ils ne tardent pas à découvrir que le drame du vol 627 n'est qu'une infime partie d'une bien plus grande et étrange vérité...