時は西暦2149年。地球は環境破壊が進み、人口過多によって人口規制が敷かれていた。人類存続の危機が迫る中、8500万年前の美しい地球へ人類を移住させるという壮大な植民計画が施行される。それは科学実験の過程で偶然に生まれた時空の裂け目を利用したタイムスリップだった。その太古の人類居住区は"テラノバ(新しい地球)"と呼ばれていた。元警官のジム・シャノンは末娘のゾーイをかくまった罪で投獄されていたが、外科医の妻エリザベスが第10移住隊の一員に選ばれたのをきっかけに、危険を冒してテラノバへ密航することを決意する。長男のジョシュは、恋人を残して旅立つことをためらい、長女のマディは期待に胸をふくらませる。こうして5人のシャノン一家は、さまざまな思いを胸にテラノバへと足を踏み入れることになる。テラノバにたどり着いた家族を移住第一号の司令官テイラーが迎え入れる。彼は、居住者を統率するカリスマ的存在だった。太古の美しい自然を前にして新しい希望を抱いた一家だったが、周囲は恐竜などの古代生物が棲息する危険な未知の世界でもあった。そして、居住者を脅かす存在は凶暴な恐竜だけではなかった…。

時は西暦2149年。地球は環境破壊が進み、人口過多によって人口規制が敷かれていた。人類存続の危機が迫る中、8500万年前の美しい地球へ人類を移住させるという壮大な植民計画が施行される。それは科学実験の過程で偶然に生まれた時空の裂け目を利用したタイムスリップだった。その太古の人類居住区は"テラノバ(新しい地球)"と呼ばれていた。元警官のジム・シャノンは末娘のゾーイをかくまった罪で投獄されていたが、外科医の妻エリザベスが第10移住隊の一員に選ばれたのをきっかけに、危険を冒してテラノバへ密航することを決意する。長男のジョシュは、恋人を残して旅立つことをためらい、長女のマディは期待に胸をふくらませる。こうして5人のシャノン一家は、さまざまな思いを胸にテラノバへと足を踏み入れることになる。テラノバにたどり着いた家族を移住第一号の司令官テイラーが迎え入れる。彼は、居住者を統率するカリスマ的存在だった。太古の美しい自然を前にして新しい希望を抱いた一家だったが、周囲は恐竜などの古代生物が棲息する危険な未知の世界でもあった。そして、居住者を脅かす存在は凶暴な恐竜だけではなかった…。

当初は、ぎくしゃくした家族関係のシャノン一家だったが、時が経つうちにテラノバでの新たな生活にも少しずつ慣れてきた。ジムは元警官であることからテイラーに見込まれて警備班に加わる。そこでエリザベスが大学時代に少しの間つきあっていたマルコムが科学班のチーフであることを知る。マルコムはエリザベスをテラノバに採用した張本人であった。再会を喜ぶ二人の様子を見て、ジムは嫉妬を隠し切れない。その頃、テラノバの物資輸送車が消息を絶ち、兵士たちが無残な死体で発見された。検視の結果、彼らを殺したのは未知の肉食鳥獣であることが発覚する。やがて、テラノバの周辺に集まり始めた鳥獣たちが次々と人間を襲いだし、のどかで平和だった日常は一転して阿鼻叫喚のパニックへと陥る。テイラーは、人々を鳥獣の脅威から守るために、マルコムにオスとメスの標本二体を与え、策を考えるよう命じる。ジムはテラノバと家族を守るためにマルコムらが合成したフェロモンで鳥獣を誘導し、決死の覚悟で繁殖地を別の場所に移そうとするのだが…。

テラノバ近郊の野外基地で調査をしていた研究員たちから、突然連絡が途絶えた。テイラーとエリザベスが彼らの安否を確認するために現地に向かうが、発見された調査員たちは、重度の記憶障害に陥っていた。どうやら彼らは、ある一定期間だけの記憶をなくす未知の病原体に感染したようだった。エリザベスは、さっそく治療法の解明にとりかかるが、その時すでに彼女はテイラーと共に感染していた。さらに通信ケーブルが恐竜によって噛みちぎられたために通信不能となってしまう。テイラーたちからの連絡まで途絶えたため、心配したジムとマルコムが救援に駆けつける。だが、既にテイラーもエリザベスもここ最近の記憶を失っていた。エリザベスの記憶は、マルコムとつきあっていた頃の学生時代に戻っていた。そんなエリザベスの様子を見て、マルコムは喜々としている。一方、テイラーの記憶は10年前の戦時に戻っていた。基地では、マルコムにも症状が出始め、感染の広がりが懸念されるが、なぜかジムだけは感染する気配がない。それに気づいたエリザベスはある治療法を思いつく。果たして、この病原体の正体とは何なのか?

ある晩、近郊のジャングルで、敵対するシクサーズのリアという少女がテラノバの警護兵に保護される。彼女はジャングルでの過酷な生活に嫌気がさし、未来へ戻るためにシクサーズのキャンプを脱走したのだという。翌日、リアを奪還するためにシクサーズがやってくるが、リアはテラノバに残ることを選び、シクサーズはやむなく撤退したかに見えた。一方テイラーは、リアから敵の潜伏場所やスパイの正体を聞き出そうとしばらく彼女をシャノン家に住まわせることにする。シャノン一家はリアを温かく迎え入れるが、リアはかつてミラが住んでいた家に無断で侵入してある"容器"を盗み捕らえられてしまう。リアを信じていたジムは、彼女の行動に裏切られた思いだったが、リアは弟サムが人質になっているのでミラには逆らえないと打ち明ける。リアの言葉が本当なら、サムが危ない。サムを救うためジムは一人でキャンプへと向かう。果たしてミアがどうしても手に入れたい"容器"の中身は一体何なのだろうか?

ある日、ジャングルにある通信ステーションの修理に出かけた若い兵士フォスターが凶暴な肉食獣ナイコラプトルに襲われて死亡するという事件が起こる。誰もが不慮の事故と考えたのだが、ジムが現場の不審な痕跡に気づき、遺体の検視結果などから、それが故意に仕組まれた罠だったということが判明する。つまり、これはテラノバ創設以来初の殺人事件だったのだ。やがて、被害者と不倫関係にあった人妻レベッカが容疑者として捜査線上に浮上してくる。しかし殺害を自白したのはレベッカの夫ミルナーだった。テイラーはテラノバの法に従い彼を追放処分にする。ところがエリザベスは、自白が根拠の裁定に疑問を投げかける。ミルナーは何か理由があって虚偽の自白をしたのかもしれない。同じく事件に疑問を抱いたジムがミルナーに真相を問いただすと、やはり彼はレベッカが殺したと思いこみ、罪をかぶって自白したことがわかる。だが当のレベッカはフォスター殺しを強く否定し、事件はふりだしに戻る。一方、未来世界から別れた恋人を呼び寄せるため、父親に内緒でジョシュはある人物と接近するのだが…。

のどかな休日を過ごすテラノバの人々。ところが、そこへある日突然巨大な隕石が空から落ちてくる。幸いにも居住区への直撃は免れたものの、隕石墜落の際に生じた電磁パルスの影響で停電になってしまう。、さらには、すべて回路が溶けて電子機器は使用不能の状態に陥る。復旧するためには新たにチップを製造するしか方法がなく、その技術を持っているのは元兵士のボイランだけだった。ジムと末娘のゾーイは施設内に閉じ込められ立ち往生する。ジムは脱出するため体の小さなゾーイに換気口を通らせて先に脱出させようとするが…。その頃、マディはテラノバの若い兵士レイノルズと初デートの真っ最中だった。電磁波の影響で車両が動かなくなってしまい、ジャングルで一夜を過ごす羽目になる。その後、凶暴な恐竜に襲われた二人は樹上へと避難する。一方エリザベスは停電中にもかかわらず、ハンターの腹部から寄生虫を取り出す手術を、スカイを助手にして行っていたが、急患の対応をするために寄生虫を取り出すのをスカイに任せることにする。スカイが代わりに寄生虫を巻き取っていると突然患者の容体が急変する。そしてこの混乱に乗じてシクサーズがテラノバへの襲撃を開始する。

高名な地質学者ホートンが半年間の野外調査を終えてテラノバへと戻ってきた。彼の大ファンだったマディは、自ら志願して研修生としてホートンを手伝うことになる。好奇心旺盛なマディはホートンに矢継ぎ早に質問を始める。しかしホートンの曖昧な返答に疑問を抱いたマディは、以前彼にファンレターを出して返事をもらった時の手紙にあるサインと、今の博士のサインが違うことに気付く。そして手紙に残った唾液をもとに、博士が本物かどうか独自にDNA調査を始める。その頃、ジムと海辺に釣りに出かけたテイラーは、たき火の痕跡から殺人の罪でテラノバを追放したカレンを発見する。テイラーはカレンに、罪を償うためにシクサーズに潜入し、彼らがテラノバに送り込んでいるスパイをつきとめるよう指示する。一方、恋人をテラノバに呼び寄せるために、シクサーズに協力する約束をしたジョシュは、ミラから薬を盗むよう指示される。スカイに相談するが、彼女はミラが約束を守るとは限らない、と協力を拒む。ジョシュは一人思い悩んだ末に薬を盗むことを決意するが、そのためには母エリザベスのIDカードが必要であることを知る。そして薬品庫に入るのだが…。

テイラーが初めてテラノバへ到着した日を祝う「収穫祭」が近づいていた。その頃、スパイ容疑で逮捕されたバーの店主ボイランはテイラーから厳しい尋問を受け、薬を飲まされて自白を強要される。もうろうとする意識の中で、ボイランは相手がジムだとは知らずにジムに謎の言葉を口走る。「アレは今も"移住者の木"の根元に埋まっている」と。そこは、かつてテイラーが住んでいた場所だった。その言葉に従いジムが木の根元を掘り返すと、身元不明の白骨死体が見つかる。テイラーに疑念を抱いたジムは、エリザベスに協力を頼み秘密裏に死体を調べるが、DNAの痕跡から第2移住隊と第3移住隊の間にポータルを通った人物であることがわかる。一方、テラノバでは収穫祭で上演する芝居の準備に余念がなかった。その最中にミラが放ったと思われる虫型のスパイが発見される。またボイラン逮捕後にテラノバの兵士達の動きがすべて漏れていたことが発覚し、テイラーはボイラン以外にスパイがいることを確信する。白骨死体について詳しくボイランから聞き出していたジムだったが、密かに白骨死体の調査をしていたことがテイラーにバレた後、スパイ容疑でテイラーに逮捕されてしまう。

息子ルーカスが岩場に残した足跡を追って単独でジャングルへ向かったテイラーは、運悪く遭遇したミラに捕らえられてしまう。しかし、連行途中に隙をついたテイラーはすぐに形勢を逆転させて彼女を人質にするが、そこへ肉食竜スラッシャーが現れ、2人は一致団結して戦わなければならなくなる。その頃、テイラーの留守を任されたジムは、マディの恋人である兵士レイノルズの活躍によってシクサーズと連絡を取る内部スパイの信号をキャッチするが、突き止めた現場はもぬけの殻だった。しかしそこに血液が残されていたことから、DNAを抽出して犯人を特定しようとする。その頃、医療センターには、こっそり手の傷の手当てをするスカイがいた。その後、彼女は自ら志願してゲートの外に出て、仲間の目を逃れてシクサーズのキャンプへ向かう。そこにはテラノバの情報を持つカーターと、重病で寝たきりのスカイの母親がいた。スカイは母親にシクサーズの持つ薬を与えてもらう代わりに、テラノバの情報を流していたスパイだったのだ。血液サンプルの調査は絞り込まれ、女性であることがわかっていた。スカイは、テイラーに両親のお墓参りに誘われる。

スパイの正体をつきとめるため、ジムは医療センター関係者への事情聴取を進める。ジムに当日の行動を聞かれたスカイは、ジョシュにチェスを教えていたと答える。そしてその後、ジョシュに一緒にいたことにしてほしい、と頼みにいく。スカイのアリバイを聞かれたジョシュは父に嘘をついてしまう。スカイには、スパイをやらざるを得ない理由があった。シクサーズのキャンプには熱病で寝たきりの母親デボラがおり、その熱病に効く薬をシクサーズが与える条件でデボラに内緒でスパイを働いていたのだ。そして、テイラーの息子ルーカスから母親の命とひきかえに、あることを依頼される。彼は、シクサーズの黒幕を呼び寄せテラノバを奪うために、未来世界との相互通行を可能にする研究を進め、実現まであと一歩のところまで来ていた。一方、スパイの調査を順調にすすめていたジムは、排水溝が怪しいと睨み、監視カメラを設置するが、そこには柵をくぐって出入りするスカイの姿が映っていた。それを聞いたテイラーは、スカイに嘘の情報を伝えミラを待ち伏せするが、シクサーズは襲ってこなかった。その頃、スカイの協力によりルーカスはポータルの相互通行の方法を解明していた。

ルーカスは、ついにポータルを相互通行にすることに成功し、未来の2149年に帰還する。そして太古の資源を搾取しようとする者たちがテラノバに攻撃を仕掛けてくる。彼らを迎え撃つべく、テイラーとジムは万全の防御態勢を整える。そして第11移住隊が次々にポータルをくぐり抜け、ジョシュの恋人カーラもテラノバに到着する。ジムがカーラを迎え入れた直後に自爆テロが発生し、爆発に巻き込まれたジムは意識を失ってしまう。医療センターで3日後に目覚めた彼の目に入ったのは、私設部隊フェニックスに占拠され、司令塔に立つルーカスとミラの姿だった。家族と再会したジムは、カーラが死んでしまったことを知り、自分のせいで彼女を死なせてしまったと後悔するジョシュを慰める。テラノバの居住者たちは、所在不明となったテイラーが攻撃してこないように、人質となっていた。テラノバの居住者たちとテラノバを救うため、豊富な資源を狙う彼らの計画を阻止すべく軟禁されているワシントン中尉やマルコムの協力を得てジムは立ち上がる。爆発の重い後遺症があるように見せかけてシクサーズの尋問をかわそうとするが、ミラだけはジムに疑いの目を向けていた。