El FBI y un cada vez más desesperado Peter buscan a Olivia que ha sido secuestrada, a pesar de que el hombre que encabeza la investigación es el responsable de su secuestro. En tanto, un supervirus de la gripe mata a dos prestigiosos epidemiólogos.

Olivia, Walter y Peter investigan la muerte de un vendedor de automóviles que ha sido encontrado en una piscina de un líquido viscoso, al igual que otro hombre en otro lado del país. Cuando Walter descubre que ese líquido es materia cerebral, su objetivo será encontrar cómo es posible hacer líquido un cerebro. A medida que los muertos aumentan, la investigación mostrará un hilo común que vincula a las víctimas de formas inimaginables. Olivia, por su parte, se enfentará al hecho de que alguien a quien quiere puede salir afectado.

La División de Fringe se enfrenta a otro incidente ocurrido en el interior de un avión. Tras un accidente, se encuentran con unos restos muy peculiares. Las pistas prometen respuestas, pero hay algo más complejo y misterioso detrás de lo ocurrido.

Olivia traba amistad con un misterioso muchacho que vive solo en el metro. Mientras, un asesino en serie reaparece en la ciudad.

Cuando un grupo de activistas de los derechos de los animales asaltan un laboratorio para investigar, uno de los animales se escapa y se destaca una masacre, dejando una multitud de cuerpos mutilados a su paso. Walter deberá enfrentarse a ella.

Olivia tiene un sueño en su apartamento de Boston que está ocurriendo al mismo tiempo y en la realidad en la Estación Central de Nueva York. Sacudidos por la extraordinaria coincidencia, Olivia, Peter y Walter investigan el suceso.

La División Fringe se enfrenta a un insólito caso en el que se acumulan cuerpos mutilados sin líquido espinal. La investigación les dirige a un científico con posibles lazos con la célula bioterrorista de ZFT.

La segunda temporada comienza con el impactante regreso de Olivia desde la desconcertante realidad alternativa, mientras Peter desconoce que compite con una onmipresente fuerza en una carrera contra el tiempo tratando de conseguir información de la visita de Olivia. Walter vuelve al laboratorio para cocinar algo de ciencia marginal y, por supuesto, unas natillas para el cumpleaños de Peter.

Para sobrellevar mejor las malas noticias que lo rodean, Walter decide contarle a la sobrina de Olivia, Ella, un cuento de hadas protagonizado por Olivia y el agente Broyles.