Na de gruwelijke dood van alle passagiers en bemanning op een internationale vlucht, onderzoekt FBI Special Agent Olivia Dunham de zaak. Wanneer haar partner bijna omkomt, zoekt Olivia wanhopig hulp en komt ze uit bij Dr. Walter Bishop, een geïnstitutionaliseerde wetenschapper. Om hem te ondervragen, moet zijn vervreemde zoon Peter worden ingeschakeld. Hun onderzoek leidt naar een manipulatieve topfunctionaris en onthult dat de gebeurtenissen op vlucht 627 slechts een klein deel zijn van een grotere, schokkende waarheid, waarbij de grens tussen mogelijk en onmogelijk vervaagt.
