Olivia Dunham est un agent spécial du FBI. Avec le professeur Walter Bishop, un savant fou qui souffre de problèmes psychologiques ayant conduit à son internement pendant 17 ans et son fils touche-à-tout Peter Bishop, ils travaillent pour une branche fictive de l'agence, la section « Fringe », qui a pour vocation d'enquêter sur des événements mystérieux touchant à certains aspects des sciences marginales : maladies rares, cryptozoologie, transhumains avec des capacités psychiques, téléportation, pyrokinésie, etc.