L'agent spécial du FBI Olivia Dunham, le scientifique Walter Bishop, brillant mais anciennement interné, et son fils Peter, intrigant et réticent, découvrent un mystère mortel impliquant une série d'événements incroyables et réalisent qu'ils font peut-être partie d'un projet plus vaste et plus inquiétant qui brouille la frontière entre science-fiction et technologie.

Après avoir consommé une mystérieuse drogue, la NZT, la vie de Brian Finch prend un tournant extraordinaire. Grâce à elle, il a désormais accès à la totalité de ses capacités cérébrales. Mais lorsqu’un meurtre lié à cette drogue conduit le FBI sur ses traces, Brian se voit forcé d’utiliser ses nouvelles capacités surhumaines pour collaborer avec l’agence, afin de laver son nom et rétablir la vérité.