Als Holly Marten in Eureka auftaucht, glaubt Fargo sofort, dass Senatorin Wen sie geschickt hat, um die „Schneller-als-Licht“-Aktion zu untersuchen. Er benimmt sich ihr gegenüber enorm aggressiv, und auch andere Menschen fangen an, seltsame Dinge zu tun. Bald wird klar, dass alle Aktivitäten Liedertextzeilen entsprechen, die parallel irgendwo laufen. Auch Jo wird von diesem hypnoseähnlichem Zustand erfasst und das ausgerechnet, während der Song „I Shot the Sheriff“ läuft…

Der Termin zur Astraeus-Mission rückt immer näher. Fargo und Holly haben die Aufgabe, aus einer Unmenge an Bewerbern die 20 besten auswählen zu müssen, die schließlich an der Reise nach Titan teilnehmen werden. Auch ein gewisser Dr. Parrish gehört zu den Kandidaten – sehr zu Fargos Missfallen. Indessen hat man Jo und Carter die Linse offiziell eingesetzt. Seitdem können die beiden Geschehnisse und personenbezogene Daten von Menschen ein – und vorhersehen.

Allison hat seit Neuestem gedankliche Aussetzer, die manchmal mehrere Stunden andauern. Dann befindet sie sich plötzlich an einem anderen Ort und weiß nicht, wie sie dort hingekommen ist. Sie untersucht ihr Hirn mit modernsten Methoden und entdeckt die von Beverly eingepflanzte Diode. Als Carter sie nach dem Untersuchungsergebnis fragt, verschweigt sie ihm das. Unterdessen schikaniert Jo Lupo Zane weiterhin nach allen Regeln der Kunst. Die beiden kommen sich dennoch immer näher.

Allison darf zunächst ihren Job als stellvertretende Direktorin bei G.D. nicht ausüben, weil Senatorin Wen sie für nicht völlig wiederhergestellt hält. Jo, Holly, Fargo und Dr. Parrish werden indessen in eine Isolationskammer gesperrt, um dort ihr Verhalten unter Extrembedingungen zu testen. Scheinbar zufällig befindet sich auch Zane in der Kammer. Er ist jedoch von Senatorin Wen gezielt eingesetzt worden, um verschiedene Stresssituationen auszulösen.

In Eureka dreht sich noch immer alles um die Astraeus-Mission. Man versucht, die Bedingungen auf dem lebensfeindlichen Titan auf der Erde nachzustellen. Als Dr. Huggins, der mit Methan, Ethan und Ammoniak arbeitet, nach einem missglückten Versuch die Stoffe in der Kanalisation entsorgt, entsteht ein lebensgefährlicher Ethannebel. Carter und Allison bekommen indes Besuch vom D.O.D.-Angestellten Warren Hughes, der überprüfen soll, inwieweit ihre Beziehung mit ihren Jobs kollidiert.

Die Auswahl der Astraeus-Bewerber neigt sich dem Ende zu. Senatorin Wen zitiert die aussichtsreichsten Kandidaten zu sich und schließt sie an einen Bio-Cortex-Rekorder, der Erinnerungen der Person für alle sichtbar macht, an. Da Allison und Carter mit Warrens Entscheidung über ihre Beziehung nicht einverstanden sind, haben sie Einspruch eingelegt. Daraufhin wird ihnen ein Supervisor, der über die Sache endgültig entscheiden soll, geschickt – Warren.

Jack Carter wird zu einer Farm gerufen, auf der eine Kuh zerschmolzen auf dem Boden liegt. Als weitere Dinge einfach zerschmelzen, stellt sich heraus, dass Taggart Fledermäuse genetisch manipuliert hat, damit in ihrem Kot mehr Perchlorsäure gebildet wird, die man dann auf dem Titan als Brennstoff verwenden könnte. Leider verwandelt sich diese in Verbindung mit Xylen, ein Stoff der in allen geschmolzenen Gegenständen und Geschöpfen gefunden wurde, in eine Art Supersäure…

Der Start der Astraeus-Mission steht kurz bevor – ganz Eureka steht Kopf. Auch der US-Präsident will beim Start dabei sein. Als sein Double einfährt, wird sein Auto von einer Art Laserkanone in zwei Teile geschnitten. Erfinder des Lasers ist Dr. Plotkin, der überall in Eureka sogenannte Stangen verteilt hat, die die Energie ihrer Umgebung in sich aufnehmen. Er plant, eines Tages die Energieversorgung der Welt selbstständig zu regeln…

Kurz vor dem Absturz gelingt es Zane, die Astraeus zu landen. Als die Besatzung das Raumschiff verlässt, muss sie feststellen, dass sie auf der Erde gelandet ist – Sheriff Andy nimmt sie in Empfang. Es stellt sich heraus, dass Andy Eurekas Sicherheitschef ist, und dass ihm zahlreiche weitere Andys unterstehen. S.A.R.A.H. ist inzwischen Chefin von G. D. – schnell ist klar, dass sich Eureka fest in der Hand künstlicher Intelligenzen befindet…

Senator Wen beschließt, die Suche nach der Astraeus offiziell zu beenden. Um das Raumschiff dennoch zu finden, entwirft Kevin ein Gerät, mit dem er die Spur der Astraeus nach ihrem Start aufspüren kann. Als das Raumschiff schließlich gefunden wird, sind die Liegen der Besatzung leer. Unterdessen bekommen es Allison und Jo in der Astraeus-Versuchsstation mit einem Drachen zu tun. Nach und nach wird klar, dass in Eureka einiges im Argen liegt…

Nach den Ereignissen rund um die Astraeus will das Verteidigungsministerium sichergehen, dass bei General Dynamics alles reibungslos funktioniert. Dr. Michael Clark, ein Phänomenologe für schwere Unfälle, fungiert als Katastrophen-Test-Initiator. Schnell ist klar, dass sich Clarks Computer KATI selbstständig gemacht hat und immer weitere Katastrophen herbeiführt, um zu testen, ob wirklich alles funktioniert. Schließlich sieht sich Eureka mit einem Raketenangriff konfrontiert…

Major Shaw erhält den Auftrag, bei General Dynamics ein Sicherheitssystem namens PanOp zu installieren. Außerdem soll er alles beschlagnahmen, was in Zusammenhang mit der Entführung der Astraeus steht – so auch den Photonen-Plasma-Computer, in dem Holly immer noch eingeschlossen ist. Um Holly zu retten, spielt Zane den entsprechenden Teil auf eine Partition des Hauptcomputer. Doch wenig später ist die entsprechende Partition leer…

In Eureka wird der Feynman-Tag gefeiert. Der Clou: Die Wissenschaftler bei Global Dynamics spielen sich gegenseitig Streiche. Indes soll Allison das neue Unterwasser-Labor, eine Art U-Boot, testen. Als sie dort eintrifft, wartet Carter als Überraschung mit einem kleinen Candlelight-Dinner auf sie. Vincent ist als virtueller Küchenchef auch dabei. Leider macht sich das Labor aufgrund eines Streiches bald selbstständig und stürzt in einen tiefen Graben…

Allisons Bruder Kevin hat sich in Eureka angekündigt, um Carter endlich kennen zu lernen. Kevin ist anderen Männern gegenüber sehr voreingenommen, weil er sie prinzipiell für dumm hält. So mischt er Carter ein paar Tropfen einer Substanz in ein Getränk, die ihn nun immer schlauer werden lässt – mit verheerenden Folgen. Bald kritisiert Carter das neueste wissenschaftliche Werk von Marcus, tauscht bei Andy einen Prozessor aus und selbst vor S.A.R.A.H. will er nicht haltmachen…

Carter (Colin Ferguson) versucht die perfekten Flitterwochen zu organisieren. Aber seine Vorstellungen von Romantik haben gar nichts mit Allisons (Salli Richardson-Whitfield) gemein. Schließlich müssen sie ihre Hochzeitsreise abbrechen, als man in Eureka eine Sabotage entdeckt. Holly (Felicia Day) muss erneut Schwierigkeit überwinden, die ihre Existenz bedrohen.

Eureka ist vom Rest der Welt abgeschnitten, nachdem ein Experiment schief gegangen ist und mikroskopisch kleine Elektroteilchen außer Kontrolle geraten sind. Carter (Colin Ferguson) und Fargo (Neil Grayston) versuchen sie einzufangen, bevor sie die Hirnfunktionen der Bewohner von Eureka beeinträchtigen. Holly (Felicia Day) bekommt eine mysteriöse Nachricht, die alarmierende Auswirkungen auf ihr Verhalten hat: Sie beginnt mit dem Körper-Drucker einen neuen Körper nach dem anderen zu erschaffen um die Menschen von Eureka zu ersetzen.

Die Bewohner von Eureka werden verschleppt und einer nach dem andern durch Doppelgänger ersetzt. Fargo (Neil Grayston), Allison (Salli Richardson-Whitfield) und Zane (Niall Matter) versuchen herauszufinden, wie sich die Entführung verhindern lassen und die Stadt gerettet werden kann.

Das Verteidigungsministerium will Eureka schließen und isoliert die Stadt: Keiner kommt in die Stadt oder aus ihr heraus. An verschiedenen Orten entstehen Wurmlöcher und Eureka droht auseinanderzureißen. Nur Carter (Colin Ferguson) kann die Stadt retten…