Les Shannon, une famille ordinaire vivant en 2149 alors que la Terre se meurt, est envoyée dans le passé, 85 millions d'années plus tôt à l’ère préhistorique. Ils rejoignent "Terra Nova", une organisation humaine à qui des scientifiques offrent une seconde chance pour reconstruire une civilisation. Mais la Terre promise et les habitants qui la peuplent, petits et géants, ne sont pas tous accueillants...

En 1995, Isabel Baker, dix-sept ans, a été assassinée. Le crime a choqué la petite ville d'Ashford et dévasté la communauté australienne des insulaires de la mer du Sud d'Isabel. L'affaire n'a jamais été résolue, le tueur jamais retrouvé. En 2020, l'ouverture d'une capsule temporelle révèle un secret qui met le détective de l'affaire froide James Cormack (Fimmel) sur la piste du tueur.