La cittadina apparentemente pacifica di Chester’s Mill precipita nel caos quando, improvvisamente, un misterioso e impenetrabile campo di forza, qualcosa di simile a una cupola, esilia i suoi abitanti dal resto del mondo. I locali agenti di polizia, tra cui la coraggiosa e determinata Linda Esquivel, cercano di tenere la situazione sotto controllo – a fatica – mentre lo strano avvenimento tira fuori il meglio e il peggio dalle persone. Big Jim, un politico, approfitta della crisi in ogni modo, anche il più subdolo, senza sapere che suo figlio, Junior, uno psicopatico, sta tenendo segregata la sua fidanzata, la quale aveva deciso di lasciarlo. L’attenzione di entrambi è attirata da Barbie, un veterano dell’Esercito rimasto bloccato in città, le cui intenzioni non sono immediatamente chiare. Barbie incuriosisce anche Julia, una giornalista investigativa.

Due nuovi attori si uniscono al cast regolare di Under the Dome in questa seconda stagione: Eddie Cahill interpreta Sam Verdreaux, un soccorritore e parente di Big Jim, mentre Karla Crome veste i panni di Rebecca Pine, un’insegnante. Mackenzie Lintz (Norrie), ricorrente negli episodi precedenti, è promossa al grado di regular in questo ciclo.

Da questa stagione Natalie Martinez (interprete di Linda Esquivel), Britt Robertson (Angie McAlister), Nicholas Strong (Phil Bushey) e Karla Crome (Rebecca Pine) non fanno parte più del cast di Under the Dome. Kylie Bunbury si unisce al cast regolare con il ruolo di Eva Sinclair, una giovane antropologa arrivata misteriosamente a Chester's Mill.