Quand une série d'événements inexpliqués frappe les États-Unis, l'agent du FBI Olivia Dunham est chargée d'enquêter sur des affaires aussi troublantes que dangereuses. Face à des phénomènes défiant toute logique, elle fait appel au Dr Walter Bishop, un scientifique aussi brillant qu'instable, et à son fils Peter. Très vite, leurs investigations les entraînent aux frontières de la science, là où expériences interdites et découvertes inquiétantes se multiplient. Chaque affaire semble liée à une même origine, encore insaisissable. Mais ce que découvre peu à peu l'équipe dépasse tout ce qu'ils pouvaient imaginer...