Le mystère des univers s’épaissit au cours de 22 épisodes qui composent cette troisième saison. La division Fringe s’échappe de l’univers alternatif – à l’exception d’Olivia, coincée dans l’autre monde et remplacée dans le nôtre par son double, qui transforme la relation timide entre Peter et Olivia en une véritable liaison amoureuse. Au retour d’Olivia, la confiance s’effiloche, des phénomènes étranges se produisent, et des secrets remontant à 1985 menacent de détruire notre univers. Ou le leur.