Recuperándose de la traumática y alarmante reunión con el fundador de Massive Dinamyc, el doctor William Bell, la agente Dunham se toma un poderoso brebaje "fringe" preparado por el Dr. Bishop para estimular su memoria. Mientras tanto, la División Fringe investiga una serie de robos conectados con los cambiadores de formas. Los recuerdos corren y se siguen las pistas, conoceremos a otra mujer con la que experimentó el Dr. Bishop y un flashback revelerá más cosas de la visita de Olivia a la realidad alternativa.

Una peculiar abducción ocurre en Boston, llevando al equipo Fringe a destapar detalles del misterioso hombre conocido como El Observador. Mientras el estrafalario caso toma protagonismo, Walter, Peter y Astrid analizan evidencias inusuales en el laboratorio, mientras lidian con el insaciable gusto de Walter por los batidos.

Un violento temblor de origen desconocido sacude un edificio de oficinas dejando sólo un superviviente. Con otra catástrofe inminente, el equipo busca respuestas en Jacksonville en un esfuerzo para salvar a cientos de personas de la muerte.

Cuando 2 adolescentes en una cita aparecen “muertos” en un almacén abandonado con tres heridas punzantes en el paladar blanco – marca registrada de los cambiaformas – el equipo Fringe investiga la evidencia así como los motivos de autor intelectual Newton. Al descubir un embrión que cambia de forma, Walter regresa al laboratorio a realizar el análisis, y Olivia y Peter se dirigen a Massive Dynamic en busca de respuestas. Mientras tanto Peter revela a Olivia un secreto familia mientras Walter lucha por recordar lo que sabe acerca de Newton acerca de “construir una puerta"

Mientras Walter lidia con algunas noticias muy perturbadoras, le cuenta a la sobrina de Olivia, Ella (Lily Pilblad), un cuento de hadas que incluye actuaciones musicales de Olivia y del Agente Boyles

En la primera parte del final de la segunda temporada, Walter y Olivia viajan al universo paralelo, y el esperado enfrentamiento entre Walter y William se produce cuando la estrella especial Leonard Nimoy regresa.

Olivia intenta encontrar el camino a casa después de ser sometida a engaños e interrogatorios en el universo paralelo. Los Bishop tratan de continuar con su vida tras los descubrimientos que han hecho de la infancia de Peter. Altivia inicia su misión de infiltración y espionaje en este universo sin levantar sospechas.

La División Fringe del Universo Alternativo investiga un experimento que permite la mejoría intelectual de los pacientes mediante drogas. El Secretario Bishop comparte su plan estratégico sobre la importancia de Olivia con el [[Phillip Broyles (Alternativo|coronel Broyles)]. Olivia empieza a tener visiones confusas mientras se adapta a la forma de vida de Altivia.

La División Fringe del Universo Alternativo tiene problemas para aclarar el escape de dos hermanos de un área en cuarentena. El Secretario Bishop continúa experimentando con la memoria de Olivia en un tanque de privación sensorial. Las visiones de Peter siguen acosando a Olivia mientras lucha con su nueva personalidad.

El equipo científico del FBI investiga un extraño caso de amnesia retroactiva en quince víctimas que sólo tienen una cosa en común, sus radios de onda corta. Walter y Peter deducen que se puede tratar de un arma de destrucción masiva que está siendo probada. Altivia lucha por mantener su cubierta como espía.

El equipo científico del FBI cree que ha descubierto un dispositivo que les permita comunicarse con el universo alternativo. Peter teme las consecuencias de haber recuperado los artefactos de la máquina de los antiguos. Olivia continúa buscando una alianza que la ayudará a regresar a su universo.

El equipo Fringe asiste a una asamblea por el aparato del día final en Massive Dynamic, Walter le pide a Nina ayuda para recuperar su poder cerebral con la intención de comprender la relación entre Peter y la super arma. Mientras tanto, el descubrimiento de un cadaver de un cambiaforma inicia una intensa investigación.

La ausencia del Coronel Broyles, en el universo paralelo, cambia la dinámica del Equipo Fringe mientras investigan a un bioterrorista armado con un insecto al que le gusta el sabor de la carne humana. Walternate permanece con su objetivo de salvar a su mundo, pero descubre que hay ciertas líneas que él no cruzará. Falsolivia acepta la proposición de matrimonio de su pretendiente, pero al final del capítulo descubre que está embarazada. Walternate la busca y le ofrece su apoyo, ya que ese bebé será su nieto.

Una serie de eventos Fringe, llevan al equipo a la casa de una mujer que está en duelo por la muerte de su esposo. Mientras tanto, Peter y Olivia, están haciendo un esfuerzo para reparar la brecha emocional que existe entre ellos.

En el universo paralelo Falsolivia es secuestrada para realizarle un procedimiento de aceleración del nacimiento de su niño, después de haberse hecho unos exámenes sobre los riesgos de la eclampsia viral. Se revela que el embarazo de Falsolivia fue iniciado por Walternativo con el fin de acceder a la herencia genética de Peter.También se hace evidente el amor que siente el agente Lincoln por Falsolivia. Un observador está al tanto de los hechos.

Bell y Walter buscan la manera de traer de nuevo la conciencia de Olivia.Bell propone activar el séptimo chakra de conciencia pura, o bien entrar a la mente de Olivia. Finalmente Walter pide a Peter participar en el experimento usando LSD, tratando de aislar la conciencia de Bell en un ordenador. Ya en la mente de Olivia, los tres descubren que son dibujos animados. Peter encuentra a Olivia, quien se refugiaba en su hogar de infancia por miedo a su padrastro y a los militares. Olivia libera su conciencia después de perder el miedo y William Bell muere.

El Secretario Bishop encuentra un método para eliminar las anomalías en su universo, para activarlo requieren una Jaula de Faraday. La división Fringe se entera de que su versión de la máquina fue activada a las 6:02 AM en el otro universo, y Walter supone que las dos máquinas están unidas a un entrelazamiento cuántico, con una máquina destrozando un mundo para estabilizar el paralelo.

Olivia viaja con Weiss para conseguir la caja y la llave que ésta contiene como palanca, Weiss explica que desciende de una familia de Weiss quienes han tratado de completar la información sobre las Primeras Personas y el dispositivo.Al abrir la caja encuentran que Olivia es la palanca para apagar el dispositivo. Walter descubre que las tormentas eléctricas se están produciendo entre Massachusetts y Nueva York, por lo que propone trasladar la máquina para Nueva York creando una sóla polaridad. Olivia apaga la máquina y Peter puede ingresar. Peter despierta en la ciudad de Nueva York 10 años después y ve que la Torre de la Libertad ya está construida en el 2021.

En el 2026 Peter continúa trabajando para la División Fringe, al igual que Olivia y Ella, Walter se encuentra en la cárcel por ser el responsable de activar la máquina, destruir el otro universo y afectar el propio.Peter crea un agujero de gusano para unir los dos universos y tratar de convencer a La Primera Gente de fusionarse en Unidad. Dos observadores dialogan, diciendo que la gente no recuerda a Peter, pues éste nunca existió.

En un esfuerzo por encontrar un camino a casa, Peter viaja al Otro Lado para hacer frente a Walternativo. Sin embargo, su aventura resulta más peligrosa de lo esperado. Mientras tanto, Olivia recibe una premonición extrema de un Observador.