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Nel 2036, Etta, Peter, Walter e Astrid ritrovano Olivia, che aveva dovuto ambrarsi nel 2015. Ma, nel corso dell'operazione, Walter viene catturato dagli Osservatori. Olivia ha con sé il pezzo mancante per ultimare il piano che Settembre aveva segmentato nel cervello di Walter per impedire agli Osservatori di leggergli nella mente; si tratta di un Unificatore di Pensieri. Per resistere all'interrogatorio del Capitano Windmark, però, Walter distrugge i suoi ricordi e sembra che nella sua mente non ci sia più nulla da unificare.
I membri del team Fringe si recano al vecchio laboratorio di Walter a Harvard per cercare delle informazioni cruciali per la ribellione contro gli Osservatori.
Mentre continuano a cercare il modo per sconfiggere gli Osservatori, il team Fringe si ritrova in una foresta popolata da un gruppo di persone dedite alla raccolta della storia dell'umanità.
Il team sta localizzando una pista in una località ostile e pesantemente difesa e Phillip Broyles potrebbe essere la chiave per accedervi, ma potranno Olivia, Peter e Walter fidarsi di lui?
Peter e Olivia cercano di venire a patti con la morte di Henrietta, ma Peter è sul sentiero di vendetta e approfitta di un trasporto proveniente dal futuro per mettere in atto un piano rischioso che potrebbe causare la morte di tutti. Dopo il fallimento del piano Peter decide di impossessarsi della tecnologia degli Osservatori ed impiantarla nella sua colonna vertebrale.
Walter segue le istruzioni del settimo nastro e si avventura in un universo parallelo costruito per nascondere una delle parti cruciali del piano. Peter comincia a subire delle mutazioni per la tecnologia che ha impiantato nel cranio. Walter pensa che l'aver innestato nuovamente i frammenti del suo cervello possa trasformarlo nell'uomo che era prima di ritrovare suo figlio.
Grazie all'impianto nel suo cervello Peter adesso è capace di prevedere le timeline degli Observers e tendergli delle trappole mortali. Intanto il team Fringe sta lavorando per recuperare altri due pezzi fondamentali al piano di Walter. Quest'ultimo è preoccupato per i cambiamenti che sta assistendo nella sua personalità. Olivia scopre quello che Peter ha fatto e si rende conto che la trasformazione è già in atto.
Peter affronta le conseguenze delle sue azioni. Olivia è alla ricerca di un altro pezzo del puzzle che costituisce il piano di Walter, ma durante le sue ricerche s'imbatte in una donna che sembra essere in grado di prevedere il futuro.
Walter è disperato perchè non riesce a ricordare i dettagli del piano per sconfiggere gli Osservatori così decide di usare l'LSD per stimolare la sua mente. Nel frattempo Olivia, Peter e Astrid stanno cercando di stabilire l'origine della trasmissione che hanno ricevuto sulla radio trovata nell'universo alternativo.
Il team è in lotta contro il tempo per mettere a punto il piano per liberare la Terra dagli Osservatori e si rivolge a Nina Sharp per ottenere aiuto. Disgraziatamente gli Osservatori riescono a scoprire l'ubicazione del laboratorio che Nina ha dato in prestito a Walter e gli altri.
Finalmente Walter, Peter, Olivia e Astrid scoprono l'identità di Donald, che si rivela essere Settembre. L'ex Osservatore spiega il piano che Walter ha messo a punto e l'importanza di Michael.
Michael si trova nelle mani degli Osservatori e il team deve trovare un modo per liberarlo. L'unica possibilità è passare dall'altra parte e chiedere aiuto all'altra Olivia e Lincoln.
Peter scopre che suo padre ha intenzione di sacrificarsi perchè il piano abbia effetto, ma Donald insiste perchè sia lui a portare Michael nel futuro. La macchina costruita da Donald manca di un pezzo fondamentale per funzionare e lui si rivolge a un ex collega che gli deve un favore. Nel momento in cui finalmente il team riesce a creare il tunnel spazio tempo per Michael e Donald, quest'ultimo viene ucciso durante lo scontro a fuoco e a Walter non resta che prendere il suo posto e dire addio ai suoi cari.
La Divisione Fringe si occupa di indagare su una serie di eventi inspiegabili, noti come Eventi Fringe, che si stanno verificando in varie parti del mondo. Ne fanno parte lo scienziato Walter Bishop, suo figlio Peter e l'agente dell'FBI Oli via Dunham.