La première partie de cette troisième saison est centrée sur les deux Dunham. Les épisodes se déroulant dans l'univers originel (générique bleu) alternent avec ceux se déroulant dans l'univers alternatif (générique rouge) sauf dans l'épisode 8 où l'action se déroule dans les deux univers simultanément. La seconde partie de la saison est consacrée aux effets croissants de la guerre entre les différents univers, ainsi qu'à la recherche par la section Fringe des pièces d'une mystérieuse machine dispersées à travers le monde et qui aurait été fabriquée par les mystérieux « premiers hommes », ancien peuple à la technologie très avancée. Le final montre l'activation de cette fameuse machine et son effet sur les 2 univers : l'esprit de Peter se retrouve alors projeté un court instant dans le futur après avoir sauvé son univers d'adoption, un monde devenu apocalyptique du fait de la destruction de l'autre monde. À l'aide de Walter, il réussit à projeter son esprit actuel au moment où il rentre dans la machine, trouvant une solution dans la création d'un pont permanent entre les deux mondes. On apprend alors que tous les univers sont indispensables les uns des autres, ce qui ramène à la Théorie des cordes. Enfin, toute la saison est centrée sur les relations entre Peter et Dunham.