Eine Maschine aus Hamburg landet auf dem internationalen Flughafen in Boston. Doch die gesamte Besatzung und alle Passagiere sind tot. FBI-Agentin Olivia Dunham (Anna Torv) wird zum Flughafen gerufen und mit der Untersuchung der Todesfälle beauftragt. Als sie die Maschine betritt, entdeckt sie, dass alle Menschen an Bord auf grausame Art und Weise entstellt sind. Olivias Partner und heimlicher Geliebter John Scott (Mark Valley) wird bei der Aufklärung des Falles selbst angegriffen und fürchterlich entstellt. Olivia sucht daraufhin verzweifelt nach Hilfe und macht den Wissenschaftler Dr. Walter Bishop (John Noble) ausfindig, der seit fast 20 Jahren in der geschlossenen Psychiatrie sitzt. An den verwirrten Doktor kommt Olivia nur durch Bishops Sohn Peter (Joshua Jackson) heran. Vor seinem Zusammenbruch wear Dr. Bishop einer der führendsten Wissenschaftler auf dem Gebiet der "Fringe-Science". Er befasste sich daher hauptsächlich mit Technologien und Theorien, die kurz davor standen, in die Tat umgesetzt umgesezt zu werden, von den meisten ernsthaften Wissenschaftlern jedoch lediglich als Zukunftsmusik und Spinnerei abgetan wurden. Die Ermittlungen im Fall der toten Pasagiere gestalten sich schwierig und Olivia muss bald schmerzlich erkennen, dass der Vorfall kein Einzelfall, sondern vielmehr Teil einer größeren Verschwörung ist. Die mysteriösen Fälle beginnen sich zu häufen: Menschen sind in Bernstein eingefroren, ein Baby altert innerhalb von wenigen Minuten um 80 Jahre und es werden Experimente an Menschen mit elektromagnetischen und radioaktiven Strahlungen durchgeführt - doch das ist nur der Anfang. Schon bald findet das Ermittler-Team um Olivia und Dr. Bishop heraus, dass dieser fatale Flug und Johns Entstellung der Beginn einer noch größeren Tragödie ist... Unter der Führung von Phillip Broyles (Lance Reddick) beschließen Olivia und Peter daraufhin, den Verantwortlichen der Serie von Verbrechen, die sie "Pattern" nennen, auf die Spur zu kommen.