波士顿机场的一架飞机内的全部乘客离奇死亡，调查过程中FBI探员奥莉维亚·丹翰的男友约翰·斯科特也染上了这种病毒，奥莉维亚去寻找彼得·毕舍普请他把沃尔特·毕舍普博士从医院中带出来研制解药，成功的救活了约翰；然而奥莉维亚发现约翰和研制毒品的人有关联，全员逮捕约翰的时候发生车祸，约翰死前留下问题望奥莉维亚仔细思考。

联邦调查局接到一个离奇案子，上司菲利普·贝雷斯让奥莉维亚和毕舍普父子来调查；一个女子在医院刚刚产下一名婴儿并死亡，然而死前她否认自己怀孕而且产下的婴儿不久便老死；调查后发现此案和之前受害者中央内分泌腺被切除的案件有关，经过调查分析发现凶手是一个生长老化十分快速的人，因此需要中央内分泌腺来防止衰老，而且这凶手是沃尔特多年前一个实验的试验品，而凶手最后衰老死亡。

一辆公交车内的人因空气固化而窒息而死，经调查有人放置气体后下车；而一个叫Roy McComb一直能预见一些事故的画面，而这些画面都是之前发生的事故，部分还是没有对外公开的，在沃尔特·毕舍普博士的研究下发现Roy McComb是一个鬼网接收器，他们猜测使用者并不知道还有第三者可以收听，决定借助这个优势破坏对方行动，在全员努力下他们接获了一个硬币大小的东西；菲利普·贝雷斯偷偷的将此物交给Nina Sharp并警告妮娜离奥莉维亚远点。

一个神秘的圆柱体出现在纽约工地，从地下来钻出来，事发当时边上有一个奇怪的人；沃尔特·毕舍普等人在调查的时候有人想抢走此物，奥莉维亚从一个同行朋友处了解到20年前也出现过一个这样的东西而且最后在地面消失；奥莉维亚发现在20年前的事故现场出现的人在2个星期前也出现在医院，并把此事告诉上司菲利普，菲利普则告诉目前发现神秘男子出现在36个事故现场。沃尔特声称彼得能找到圆柱体，必须赶快过去保护圆柱体，最后圆柱体再次回到地下。沃尔特说真正拯救彼得的就是那个“观察者”；而奥莉维亚在家里看到了约翰。

一台电梯突然失控坠落，电梯内的乘客全部死亡；然而调查发现所有人都是在电梯跌落时被电死的，经过沃尔特·毕舍普一行人发现一名叫Joseph Meegar的嫌疑人，Joseph Meegar被科学家做了非法的人体试验从而拥有能力控制电力；最后他们对信鸽进行电磁追踪成功找到Joseph Meegar以及科学家Fischer。另一方面奥莉维亚再次看到约翰，沃尔特说这是之前那次心灵联通让他们之间建立了意识共享从而奥莉维亚有了约翰的记忆，最后通过这些记忆奥莉维亚找到了约翰的一个秘密调查室，里面有很多约翰自己调查的案子；菲利普·贝雷斯说调查虽然没有搞清约翰为谁工作，但是可以确定约翰认识科学家Fischer。

一个女人在失踪后突然出现在一家餐馆，然而包括这个女人所有在场者都离奇死亡，沃尔特·毕舍普博士觉得这个女人放出的辐射导致这一切；在做调查后发现死者生前患了一种十分严重且难以治疗的病然后突然康复，奥莉维亚一行人查证得知类似情况的患者也全部失踪了，沃尔特由此认为有人用这些患者制作辐射体武器。事情解决后回家的奥莉维亚收到一封祝她生日快乐的贺卡。

菲利普的朋友兼同事Mitchell Loeb在和菲利普谈论之前一次任务失败的事情的时候突然晕倒，在做手术的时候发现Loeb的心脏上有个生物，通过这个生物的DNA序列和奥莉维亚想起跟约翰有关的案子，向菲利普求助。得知在德国监狱中的David Rebert Jones有可能知道关于这个生物的资料。Jones向奥莉维亚提出了一个条件：除非他能从Joseph Smith那里得到他想知道的某个答案，否则什么也不会说。麻烦的是Joseph掏枪拒捕，被FBI特工射杀，沃尔特采用他二十年前曾为政府实验过的一种方法，将彼得和Joseph（尸体）的大脑连接起来，接收死人传来的信息。经过反复试验，彼得终于从Jesoph脑中 "看" 到了点什么。他问Astrid要来纸笔，画下11条竖线，然后又 "极其聪明" 地补上了缺失的横线。最终，纸上出现了问题的答案－－"Little Hill"。Jones在最后一刻相信了奥莉维亚，将杀死寄生虫的配方告诉了她。但在此之前，Jones用隐语警告奥莉维亚：有人在控制他们，也许他们的见面是被故意安排好的，目的是套出 "Little Hill" 这个答案。Jones还宣称，用寄生虫感染Loeb的人不是他。原来处心积虑的Loeb夫妇一直都在演戏，目的是套取 "Little Hill" 这个答案。

一个因为一场车祸而意外获得音乐天赋的孩子Ben在父亲的眼下奇怪失踪，沃尔特发现有人想借助孩子的能力解开一个数学公式。Ben在绑架者的百般折磨下完成了那个方程式，而这方程式是用来干什么的呢？用科学的话来说，就是一把钥匙，可以驱动某个仪器改变物质的相态，从而实现穿越实心物体的目的。Ben的绑架者将方程式交给一个男人（Mitchell Loeb），这个男人做了一个实验－－他从厚实的密封保险箱里取出了事先放进去的苹果。然后他开枪杀了绑架者，打了一个电话说：“成功了”。（本集中有种有趣的设定：红绿灯交替闪烁，会使人催眠。本集中的主要反派角色使用这种手法绑架了很多 "天才"－－受害人都是某领域内的专家。）

一个巨力公司的员工离奇死亡，奥莉维亚调查后发现可能和失踪者任职的巨力公司有关，为了查明真相奥莉维亚请求沃尔特让她进入约翰的记忆。事后沃尔特告诉奥莉维亚进入约翰的记忆十分危险，且不能和约翰交流，然而奥莉维亚收到一封来自已死约翰·斯科特的邮件，内容是“我在餐厅看见你了”(I saw you. In the restaurant)。

在调查一系列银行抢劫案时，奥莉维亚、沃尔特和彼得震惊地发现，一名嫌犯被困在了银行金库的墙内，仿佛墙体瞬间凝固将他困住。沃尔特意识到这些高科技窃贼找到了违背物理定律的方法，但令他震惊的是，这些窃贼的目标竟然是他所拥有的某样东西。

奥莉维亚被绑架，但最终逃脱，并且从绑架地偷取试验样本。国土安全局派来跟奥莉维亚有过节的Harris监督潜科学分部的工作，Harris处处与奥莉维亚作对。此时，波士顿大学里一教授突然倒地休克，并从他嘴里爬出恐怖的不明生物。此事又是Loeb在背后搞鬼，但奥莉维亚无意中发现他就是绑架犯之一，驱车赶往其住处，发现了不明生物的资料，同时Loeb的妻子Samantha准备杀死奥莉维亚时，反被击毙。Loeb被捕后得知妻子的死讯，承认了所做的一切，但却说绑架奥莉维亚是为了救她，使事情变的更加扑朔迷离。

一少年在电脑前讲电话，此时屏幕弹出一个接收框，少年点开后，屏幕出现各种闪烁凌乱的画面，少年仿佛被催眠般呆滞，随即从屏幕里伸出一只手，抓住了少年的头部。之后少年尸体被送至沃尔特实验室，脑部液化死亡。随后，同样的离奇事件在其他地方依次出现。奥莉维亚因此走访少年的好朋友了解情况，并发现所有事件皆为此少年父亲的报复，最终凶手饮弹自尽，事件收尾。

一架飞行的飞机机舱内，一男子突然鼻血不止，最后变身成怪物，导致该航班坠毁无一生还。FBI介入调查，怪物尸体照例被运回哈佛的实验室，沃尔特在怪物的手掌里发现一片玻璃磁盘（回忆第三集剧情）。奥莉维亚被告之约翰的尸体一直被保存的秘密。而奥莉维亚为了调查真相再次进入约翰的记忆后，开始跟记忆中的约翰对话，约翰告诉奥莉维亚他其实隶属于国家安全局下的机密特遣部队，执行的是不被承认的秘密任务，目的是猎杀制造恐怖生物化学武器并高价出售的生物学家‘Conrad’。之后奥莉维亚和彼得假扮成购买者与Conrad的手下交易，最终抓获了Conrad。事件结束后，奥莉维亚最后一次进入约翰的意识与他告别，并接受了约翰的戒指。

Jones被弄出德国监狱后，似乎细胞分解重组对他的身体产生了副作用。街头一书报亭的老头在接受了一张纸币后突然发生异变，身体所有的孔洞发生闭合，最终窒息死亡。彼得根据线索找到一本Z.F.T手稿。Jones自动来到FBI‘自首’，要求见奥莉维亚，要她去取他存放的某个物品然后接受一个测试，否则就他安置的一个炸弹装置就会爆炸。奥莉维亚取回的测试装置是一组灯泡，在不能碰的情况下要灯熄灭，彼得做了手脚伪装成成功通过测试Jones说出了炸弹防止地点，但是，取消装置与测试一样，要奥莉维亚用‘意念’让灯泡组熄灭才能阻止炸弹爆炸，最后奇迹般的成功了。

一座有着半个世纪历史的老式大楼即将拆除，一名光头小男孩从该大楼的密室被发现；与此同时，查理得到消息一个名为艺术家的连环杀手再度出现，他把信息马上告知了奥莉维亚。奥莉维亚则觉得自己与那个光头男孩有着千丝万缕的关联，并为之绞尽脑汁；沃尔特意外展现了一把舞姿，令众人惊讶并惊艳。

一群动物权益激进者闯入了一个秘密动物实验基地，放出了所有的被实验动物，包括某种未知的生物，两人被当场抓走，三人开车逃出，却在公路上翻车。奥莉维亚等人介入调查，沃尔特在尸体上发现了某种特殊毛发，让他十分担忧。查理在调查中被袭击，沃尔特由此确定袭击查理的是某种危险的基因融合生物。并发现他自己在20年前曾意图制作过这类生物，并且该生物在伤害猎物的同时，还会在猎物体下产下虫卵，被袭击的查理因此陷入死亡危机。沃尔特决定用该生物的幼虫诱捕，以获取它的基因救治查理。最终，怪物被抓住，沃尔特成功制造出解药。

奥莉维亚梦见自己在地铁站内将一个十八个月大女婴的母亲推入了轨道，新闻将该案件认定为自杀，奥莉维亚却怀疑是谋杀。菲利普给她24小时找到真相找回状态奥莉维亚找当地警察寻求帮助，并来到案件现场，并发现了梦中出现的红气球，但是现场录像却没有第三者。奥莉维亚再次梦见自己在餐厅迫使一名妻子刺杀了她的丈夫。奥莉维亚从餐厅服务员处确认了嫌疑人Nick，并通过联邦系统找到其本人的信息，奥莉维亚怀疑Nick孩童时参加过沃尔特的试验，并由此获得了影响他人情感的能力。沃尔特怀疑奥莉维亚也曾参加过该试验，并通过她的梦境找到Nick。最后，Nick被抓住，并通过药物陷入无限期的昏迷。

有一个连环杀手出没，手法残忍，将受害者杀害并抽取骨髓，一位男士向FBI报案说自己的妻子失踪，奥莉维亚和彼得以及他们的老搭档沃尔特必须在她被杀害前找到这位失踪者。随着剧情的发展，似乎一些非正常的现象都与年轻时候的沃尔特进行的“特别试验”有关，奥莉维亚也确认自己的小时候也参加了该试验，正是被沃尔特拿来做人体试验的小孩童之一。除此之外，沃尔特更大的秘密也被揭开。

在梦中梦到发生的事情的奥莉维亚，开始在清醒的时候“做梦”了，她看到了还没有发生的事情。在调查一个女性自燃的案件，奥莉维亚开始相信自己的“幻觉”。沃尔特澄清了自己和Z.F.T.的关系，彼得的秘密项目帮助解决谜团。一直出现在剧集中的暗线“观察者”与科学怪人沃尔特正面交锋。

一名“边缘档案部门”的团队成员被攻击，恐怖生物学家David Robert Jones再度回归。巨力公司的创始人，沃尔特另类科研方面的旧搭档威廉·贝尔博士终于现身。与此同时，沃尔特·毕舍普博士再度失踪，观察者带沃尔特回到他曾经居住的房子找回记忆，并要求沃尔特利用穿越平行宇宙的装置补上两个世界之间的洞，从而保持世界之间的平衡。