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En 2149, la Terre est polluée et les ressources arrivent à épuisement. La population humaine est au bord de l'extinction et le seul espoir de survie est d'envoyer des individus dans une faille spatio-temporelle découverte par des scientifiques. Ainsi, ils pourront s'établir sur la terre 'préhistorique' : ce projet s'appelle : Terra Nova. Les membres de la famille Shannon rejoignent la première colonie établie sur cette terre nouvelle. Jim Shannon, le père de famille, guide les membres de sa famille dans ce nouveau monde à la beauté sans faille, mais aussi rempli de mystères et de dangers.

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Les Shannon ont rejoint « Terra Nova » et la vie s'organise sur la colonie. Elisabeth s'occupe de reprendre ses activités de médecin alors que Josh fait la connaissance de la jeune Skye et entreprend de s'aventurer en dehors du camp.Jim réussit à convaincre Nathaniel Taylor, le commandant, qu'il peut être affecté au service de sécurité, vu son expérience de policier. En prenant ses nouvelles fonctions, il découvre rapidement qu'une autre communauté, les Sixers, des mercenaires dirigés par la redoutable Mira, vit dans les environs.

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La colonie est sur le point de devoir faire face à une attaque de féroces ptérosaures. Jim et Taylor s'efforcent de trouver un moyen de lutter contre cette agression, sans quoi ils risquent tous d'être rapidement dépassés par ces événements. Elisabeth, quant à elle, découvre que l'un de ses anciens amours de jeunesse se trouve également dans la colonie. Il se pourrait même que ce dernier soit à l'origine de son recrutement. Skye s'efforce de faire en sorte que Josh se sente à l'aise parmi eux, alors que Reynolds décide de prendre Maddy sous son aile.

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Alors qu'Elisabeth, Jim, Malcolm et Taylor enquêtent sur un étrange silence radio provenant d'un avant-poste scientifique, ils découvrent qu'un mystérieux virus est en train de se propager. Il provoquerait des pertes de mémoire, des crises de paranoïa et pourrait même entraîner la mort de certains malades. Le groupe travaille avec acharnement pour trouver un remède au plus vite, avant qu'ils ne perdent contact avec la réalité et surtout que le virus ne se propage dans toute la colonie.

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Le commandant Taylor accepte d'accueillir au sein de la colonie la jeune Leah Markos, une jeune orpheline appartenant au clan des Sixers. Jim accepte qu'elle s'installe temporairement chez les Shannon, le temps qu'ils lui trouvent une famille d'accueil. Alors qu'ils sont partis à la recherche d'un sac perdu dans la jungle, que la fillette réclame avec insistance, Reilly et un soldat sont attaqués par les membres des Sixers.

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Jim découvre que le soldat Foster n'est pas mort suite à l'attaque d'un dinosaure, mais qu'il a été assassiné. Et effectivement, Howard Milner passe bien vite aux aveux, mais Jim se rend compte qu'il cache quelque chose et il décide de poursuivre ses investigations. Parallèlement, Josh travaille au bar de Tom Boylan dans l'espoir de réunir suffisamment d'argent pour faire venir Kara, toujours bloquée en 2149.

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Une météorite vient de s'écraser à proximité de la colonie et tous les appareils issus de la dernière technologie sont perturbés par ce crash. Alors que Maddy et Reynolds se retrouvent isolés dans la jungle, Elisabeth et Skye s'efforcent de sauver Hunter. Taylor, quant à lui, essaie d'empêcher les membres des 'Sixers' d'envahir la colonie affaiblie.

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Le professeur Horton et son équipe reviennent dans la colonie, après une expédition de six mois dans la jungle. Maddy, grande admiratrice du scientifique, réussit à décrocher un poste d'assistante de recherche pour travailler à ses côtés, et fait une découverte surprenante. Par ailleurs, Josh essaie toujours de faire venir sa petite amie Kara à Terra Nova.