Im Verlauf der ersten Staffel stellt sich heraus, dass hinter den Fällen, die von der Fringe Division untersucht und als „das Schema“ (orig. „the pattern“) zusammengefasst werden, eine terroristische Organisation mit Namen „Zerstörung durch Fortschritte der Technologie“, kurz ZFT, steckt. Eine noch ungeklärte Rolle spielen ferner die „Beobachter“ (orig. „Observers“), eine Gruppe glatzköpfiger, weitgehend emotionslos agierender Männer, die bei allen mit dem „Schema“ zusammenhängenden Vorkommnissen anwesend sind und diese schriftlich dokumentieren. Darüber hinaus stoßen Dunham und ihre Kollegen im Laufe ihrer Ermittlungen häufig auf Verwicklungen einer weltweit tätigen Forschungsfirma namens Massive Dynamic, deren Gründer Dr. William Bell einst ein Kollege und Freund Walter Bishops war. Beide haben in den 1980er Jahren unter anderem Experimente mit Kindern durchgeführt, um bei diesen übermenschliche Fähigkeiten freizusetzen. Olivia erfährt schließlich, dass sie selbst eines dieser Kinder war und sie ebenfalls über besondere Fähigkeiten verfügt. Am Ende der ersten Staffel stellt sich dann heraus, dass die ZFT die Absicht verfolgt, sich Zugang zu einem Paralleluniversum zu verschaffen, in dem sich Bell bereits seit vielen Jahren aufhält.

In der zweiten Staffel ergibt sich, dass schon seit einiger Zeit Agenten aus dem Paralleluniversum im "Real"universum tätig sind. Als biomechanisch veränderte Gestaltwandler sind sie in der Lage, das Aussehen jedes Menschen anzunehmen, wobei sie diese in der Regel umbringen, bevor sie ihre Identität annehmen. So tötet einer der Gestaltwandler den FBI-Agenten Charlie Francis, einen Kollegen Olivias, nachdem diese von einer Reise ins Paralleluniversum zurückgekehrt ist. Ihr gelingt es jedoch schließlich, den falschen Charlie zu entlarven und umzubringen. Von Bell ist sie zu diesem Zeitpunkt bereits gewarnt worden, es drohe ein Krieg mit dem Paralleluniversum. Schließlich wird bestätigt, was bereits am Ende der ersten Staffel angedeutet wurde: Peter ist in Wirklichkeit nicht der Sohn Walters aus dem gewohnten Universum. Dessen Sohn Peter war als Kind gestorben, woraufhin Walter den Sohn seines Gegenstücks aus dem Paralleluniversum als „Ersatz“ in sein Universum holte und damit ungewollt den Konflikt beider Welten überhaupt erst in Gang setzte.

Zu Beginn der dritten Staffel wechselt die Handlung wiederholt zwischen den beiden Universen. Im "Real"universum infiltriert die Olivia des Paralleluniversums die Fringe Division und widmet sich der Untersuchung weiterer Fälle, die mit dem Paralleluniversum im Zusammenhang stehen. Dabei versucht sie jedoch heimlich, die Bemühungen der Fringe Division, die Bedrohungen durch das Paralleluniversum abzuwehren, zu sabotieren. Zudem beginnt sie eine Beziehung mit Peter, der sich zuvor bereits zur "echten" Olivia hingezogen fühlte. Walter hat derweil Bells Firma Massive Dynamic geerbt.

Etwa drei Jahre sind inzwischen seit der Gründung der Fringe Division vergangen. Olivia Dunham, Walter Bishop und Astrid Farnsworth gehören dieser von Phillip Broyles geführten und der Öffentlichkeit nicht bekannten Spezialeinheit an. Den vor kurzem durch Peter Bishop erschaffenen Übergang zwischen den Paralleluniversen nutzen nun die beiden Einheiten, um auch von der jeweils anderen Seite zu operieren. Peter, der Sohn Walters, wurde von den Beobachtern durch das Umschreiben der Zeitlinie aus allen Gedächtnissen und ehemaligen Handlungen entfernt und starb auf beiden Seiten in früher Kindheit. So sind die Rollenverteilungen im Team leicht verändert, zum Beispiel begleitet Astrid Olivia bei den Außeneinsätzen und Walter beobachtet alles vom Labor aus, wo er auch wohnt. Gleichzeitig erinnert sich die Olivia aus der Parallelwelt ebenfalls nicht an Peter, der der Vater ihres Kindes war. Das Kind existiert durch die Entfernung Peters aus beiden Universen auch nicht mehr. Doch zur Beunruhigung der Beobachter brechen immer wieder Spuren des erwachsenen Peters durch. Diese ängstigen im Besonderen Walter, da er sich nicht erklären kann, wer der unbekannte Mensch ist. Bald glaubt er, er sei geistesgestört und müsse wieder ins St. Claires. Erst als Olivia ihn daran hindert, mittels medizinischer Instrumente sein Gehirn zu schädigen, um die Halluzinationen von Peter zu beenden, stellt sich heraus, dass Peter nicht nur Walter in Spiegelflächen erscheint, sondern auch in Olivias Träumen vorkommt. Kurz darauf erscheint Peter auch in der Wirklichkeit.

Die letzte Staffel knüpft nahtlos an die neunzehnte Episode der vierten Staffel an, in der die Beobachter in der Zukunft die Weltherrschaft übernommen haben. Olivias und Peters Tochter Etta holt Walter, Peter und Astrid in der Zukunft – im Jahr 2036 – aus dem Bernstein, worin das Fringe-Team sich zum Schutz vor den Beobachtern selbst eingeschlossen hatte. Auf der Suche nach Olivia werden die drei von Henrietta Bishop durch den totalitären Zukunftsstaat der Beobachter geführt. Nachdem sie Olivia gefunden haben, kehren sie über unterirdische Tunnel wieder zurück in das alte, mit Bernstein versiegelte Harvard-Labor. Dort beginnen sie Videos, die Einzelteile des Plans beinhalten, die Beobachter von der Erde zu vertreiben, aus dem Bernstein zu befreien. Dieser Plan wurde Walter von September gegeben, jedoch hat Walter ihn bei einem Verhör des Beobachters Captain Windmark vergessen.