En 2149, la population humaine est au bord de l'extinction sur une Terre polluée dont les ressources arrivent à épuisement. Il ne reste plus qu'un seul espoir de survie pour l'humanité : envoyer quelques individus dans une faille spatio-temporelle découverte par des scientifiques. Ces voyageurs se retrouvent des millions d'années dans le passé au temps de la préhistoire : ils ont alors la possibilité de tout recommencer...

A Terra Nova, la nouvelle vie de la famille Shannon s'organise. Elisabeth reprend ses activités de médecin et Josh fait connaissance avec la jeune Skye et s'aventure hors du camp, à ses risques et périls. Jim réussit à convaincre le commandant Nathaniel Taylor de son expérience de policier. Il est affecté à l'équipe de sécurité et découvre qu'une autre communauté vit aux alentours, les Sixers, des mercenaires dirigés par la mystérieuse Mira...

A Terra Nova, la vie s'organise doucement pour la famille Shannon. Elisabeth retrouve par hasard le docteur Malcolm Wallace, un ancien collègue de l'université, ce qui intrigue Jim. Mais un danger guette : de féroces oiseaux viennent rôder autour du camp...

Afin de prévenir Terra Nova d'une terrible infection, Elisabeth, Jim, Malcolm et le commandant Dans un poste scientifique avancé, ils découvrent un mystérieux virus, un agent pathogène, causant des pertes de mémoire et des accès de paranoïa, pouvant entraîner la mort. Un à un, ils sont contaminés par ce virus, à l'exception de Jim, qui reste étonnament épargné. Il fait son possible pour aider Elisabeth, qui perd peu à peu la mémoire, à trouver une solution. A Terra Nova, Skye propose à Josh de faire venir Kara, son-ex petite amie, dans la colonie...

Leah Markos, une orpheline appartenant au clan des Sixers, trouve refuge à Terra Nova. Partis à la recherche du sac que la fillette réclame avec insistance et qu'elle a perdu dans la jungle, Reilly et un autre soldat sont attaqués par les Sixers. Mira et ses acolytes se rendent ensuite à Terra Nova et proposent d'échanger Reilly et le soldat contre Leah. Le commandant Taylor soupçonne qu'un traître à la solde des Sixers se trouve à Terra Nova et les a informés de la présence de l'enfant...

Josh travaille au bar de Tom Boylan dans l'espoir de réunir suffisament d'argent pour faire venir Kara, toujours en 2149. Skye lui vient en aide et l'accompagne lors d'un rendez-vous secret avec Mira. Parallèlement, Elisabeth et Zoé s'intéressent de près à un ankylosaurus. De leur côté, Jim et le commandant Taylor ouvrent leur propre enquête afin de faire toute la lumière sur la mort de Ken Foster. Il s'agit du premier meurtre commis sur Terra Nova. Howard Milner avoue rapidement le crime, et Taylor le bannit de la colonie. Jim met pourtant rapidement en doute ces confessions et poursuit ses investigations...

Tous les appareils électroniques de Terra Nova sont perturbés après le crash d'une météorite. Maddy et le soldat Reynolds sont coincés à l'extérieur des murs d'enceinte. Skye et Elisabeth doivent faire équipe pour sauver la vie de Hunter, colonisé par un parasite de dix mètres de long. De leur côté, Mira et sa troupe de Sixers essayent d'attaquer la communauté, et le commandant Taylor tente de les arrêter...

Après six mois d'absence, le professeur Ken Horton et son équipe reviennent d'une expédition dans la jungle. Grande admiratrice du scientifique, Maddy parvient à décrocher un poste d'assistante de recherches à ses côtés. Elle découvre alors un secret concernant l'un des meilleurs scientifiques de la colonie Terra Nova, et ce scoop pourrait bien la mettre en danger. De son côté, Josh tente toujours de faire venir à Terra Nova sa petite amie Kara. Mais il est obligé de faire des compromis qui peuvent s'avérer désastreux. En effet, Mira lui demande de voler des médicaments dans la clinique de sa mère...

Taylor est à la recherche de l'espion envoyé par Mira à Terra Nova. Il sait qu'il doit enquêter à la fois rapidement et discrètement. Jim, de son côté, prend connaissance d'un vieux crime dans lequel Taylor pourrait être impliqué. Comment trouver des preuves si longtemps après les faits ?...

Parti seul dans la jungle, Taylor est capturé par Mira, qui lui fait part de ses intentions. Bientôt, les deux ennemis doivent s'allier pour lutter contre des dinosaures qui les ont pris en chasse. Jim et Reynolds, qui traquent la taupe des Sixers, découvrent une goutte de sang qui pourrait permettre de l'identifier. Mais au laboratoire, l'échantillon de sang est mystérieusement détruit et l'analyse ADN incomplète. Quant à Zoé, elle doit prendre une décision délicate lorsqu'elle constate que l'ankylosaure dont elle s'occupe grandit extrêmement vite : si elle ne le rend pas rapidement à la vie sauvage, il ne saura plus s'y adapter...

Le onzième pèlerinage est attendu dans les prochains jours, et chacun se tient prêt à accueillir les nouveaux venus. Lucas se dépêche d'assembler les dernières pièces de sa mystérieuse machine. De leur côté, Jim et Taylor tentent de démasquer la taupe de la colonie. Jim procède aux interrogatoires afin de démasquer l'espion des Sixers. Son seul indice : l'ADN est celui d'une femme...