一架從漢堡飛往波士頓的航班安全著陸，但機上所有機組成員和乘客均離奇死亡。這起案件成為一連串超自然事件的開端，FBI女探員奧莉維亞·德納姆（Anna Torv 飾）在調查過程中痛失戀人約翰·斯科特，隨后被調入專門處理離奇案件的“邊緣檔案部門”。在調查過程中，她與被拘禁的精神病學家沃爾特·貝肖普博士（John Noble 飾）及其兒子彼得（喬舒亞·杰克遜飾）展開合作。沃爾特作為量子物理與生物實驗領域的頂尖專家，其研究領域涉及平行宇宙理論和意識轉移技術。隨著調查深入，奧莉維亞發現巨力公司通過跨維度實驗制造災難性后果，而沃爾特三十年前失蹤的妻子正存活于平行世界。最終真相揭露奧莉維亞本人正是沃爾特早期人體實驗的幸存者，其神經感知能力成為對抗跨維度入侵的關鍵。所有線索指向巨力公司試圖操控兩個世界的能量平衡，而沃爾特與彼得的父子關系背后暗藏跨越平行宇宙的雙重身份秘密。