Dans cette saison, l'histoire a été réécrite : la section Fringe a été créée après les événements du lac Reiden, mais Peter n'a pas survécu, l'observateur ne l'a pas sauvé des eaux. Les deux univers collaborent tout de même ensemble et ont été reliés par un pont, ce qui régénère l'univers de Walter-ego. Peter revient dans une ligne temporelle où personne ne le connaît, il doit faire ses preuves et utilise les similitudes avec sa ligne temporelle pour accélérer les enquêtes. Il découvre ainsi les conséquences de sa disparition dans cet univers : David Robert Jones est de retour, accompagné de la version alternative de Nina Sharp, avec un plan pour détruire les deux univers. Le colonel Broyles de l'univers alternatif n'est pas mort et Farnsworth travaille sur le terrain. Au début, Peter croit qu'il a atterri dans une troisième version du monde et désire rentrer chez lui, mais il finit par comprendre, grâce à Dunham qui retrouve la mémoire de son amour, qu'il est bel et bien chez lui et que son effacement était le résultat de son remaniement des événements antérieurs. La deuxième moitié de la saison est marquée par de nombreuses révélations incluant la vérité sur les observateurs. Ils sont l'évolution future de la race humaine et maîtrisent les pouvoirs que recherchaient Walter et William.