Eureka, una sonnacchiosa cittadina del Nord Ovest che si affaccia sul Pacifico, nasconde un misterioso segreto. Il Governo ha segretamente ricollocato le menti più brillanti del mondo con le rispettive famiglie, in questa rustica città, dove caos e innovazione tecnologica e scientifica sono all'ordine del giorno. Lo Sceriffo Federale Jack Carter capita per caso a Eureka in seguito a un guasto alla sua auto. Proprio durante il suo passaggio, gli scienziati stanno testando l'ultima creazione della loro genialità, causando come al solito situazioni imprevedibili. Carter cerca di intervenire per ristabilire l'ordine e così facendo s'imbatte in uno delle operazioni più segrete degli Stati Uniti.

In questa seconda stagione i protagonisti fanno ancora i conti con le conseguenze dell'esplosione del Manufatto e del paradosso temporale. Continuano gli esperimenti alla Global Dynamics e gli eventi inspiegabili ad essi connessi, mentre l'ex-moglie di Carter arriva a sorpresa per il compleanno di Zoe. Altri incidenti si susseguono, causati spesso dal conflitto tra efficienza, scienza e scelte umane.

Dopo l'arresto di Henry e gli eventi della stagione precedente, la Global assume una nuova consulente per migliorare l'organizzazione della città, Eva Thorne: agli effetti inspiegabili e talvolta pericolosi delle ricerche in loco si aggiungono così problematiche più burocratiche sulla gestione di Eureka.

La stagione inizia con la celebrazione della fondazione di Eureka e un viaggio nel tempo. Una successiva linea narrativa orizzontale vede i protagonisti coinvolti nella missione spaziale Astraeus.

I protagonisti sono impegnati con le conseguenze della missione spaziale, dai salti temporali alla sparizione dell'Astraeus: Eureka si trova al centro di lotte di potere e i suoi cittadini saranno costretti a fare i conti con decisioni prese dall'alto.