Cuando un vuelo internacional aterriza en el Aeropuerto Logan de Boston y los pasajeros y la tripulación han muerto de maneras espantosas, la Agente Especial del FBI Olivia Dunham es llamada para investigar. Después de que su compañero casi muere durante la investigación, una desesperada Olivia busca frenéticamente a alguien que la ayude, llevándola al Dr. Walter Bishop, el Einstein de nuestra generación. Solo hay un inconveniente: ha estado institucionalizado durante los últimos veinte años, y la única forma de interrogarlo requiere involucrar a su hijo distanciado, Peter. Cuando la investigación de Olivia la lleva a un ejecutivo corporativo manipulador, ella y su equipo descubrirán que lo que sucedió en el Vuelo 627 es solo una pequeña parte de una verdad más grande y sorprendente, y explorarán la delgada línea entre lo posible y lo imposible.