Im Jahr 2149 ist die Erde quasi unbewohnbar infolge von Überbevölkerung und Umweltzerstörung. Jede Familie darf nur zwei Kinder haben. Jim und Elisabeth Shannon, ein Polizist und eine erfolgreiche Ärztin, haben aber ein drittes Kind bekommen. Als Jim ausrastet und einen Officer schlägt, der ihm seine jüngste Tochter Zoe wegnehmen will, kommt er ins Gefängnis. Nach zwei Jahren erhält Elisabeth das Angebot, mit ihren älteren Kindern Josh und Maddy nach Terra Nova umzusiedeln. Terra Nova ist eine Ansiedlung im Dschungel 85 Millionen Jahre in der Vergangenheit. Durch einen Riss im Raum-Zeit-Gefüge kann man Zeitreisen unternehmen. Mit Hilfe seiner Frau gelingt es Jim, aus dem Gefängnis zu fliehen und mit der kleinen Zoe im Schlepptau ebenfalls nach Terra Nova zu kommen. Dort muss die Familie sich einleben. Commander Taylor, der Anführer der Siedler dort, akzeptiert Jims Anwesenheit und auch Zoe und nimmt den ehemaligen Cop in sein Sicherheitsteam auf. Josh und sein Vater haben ständig Streit, weil sie sich zu ähnlich sind, was beiden natürlich entgeht. Auch Josh will sich nicht an die Regeln halten, wenn doch Abenteuer und hübsche Mädchen locken. Er lernt bald Skye kennen, die ihm alles zeigt und ihm ihre Freunde vorstellt. Gemeinsam fahren sie verbotenerweise in den Dschungel, wo sie bald auf Raubsaurier und Abtrünnige, genannt "die Sechser", treffen. Skye hat Josh vorher geheimnisvolle Felszeichnungen gezeigt, die beide nicht deuten können. Maddy, ganz die brave Tochter, kümmert sich um ihre kleine Schwester, während die Eltern ihrer Arbeit nachgehen. Sie lernt Reynolds kennen, einen jungen Soldaten, der die Familie zu ihrem Haus begleitet hat. Maddy versucht bei jeder Gelegenheit, mit ihren naturwissenschaftlichen Kenntnissen zu punkten. Sie ist wild entschlossen, sich in Terra Nova wohlzufühlen und nützlich zu machen. Dann werden Josh und seine neuen Freunde von Dinosauriern überfallen. Sie sitzen hilflos im Urwald fest. In ihrer Not bitten sie Drake, einen verletzten Rebellen der Sechser, um Hilfe und können einen Notruf über Funk absetzen. Taylor und seine Leute sind bereits auf der Suche nach den jungen Leuten und können sie retten. Drei der Teenies sind verletzt worden. Josh und sein Vater nähern sich einander wieder an. Nun muss die Familie ihr Leben in ihrem neuen Zuhause gestalten.

Die Sixer versuchen, einen Deal mit Terra Nova auszuhandeln. Jim begibt sich derweil auf die Suche nach Josh und seinen Freunden, die im Dschungel angegriffen wurden.

In Terra Nova tauchen merkwürdige Vögel auf, es sind Flugsaurier, die bisher vollkommen unbekannt sind. Sie sind sehr aggressiv und greifen die Menschen an. Zwei Soldaten, die auf dem Weg zu einem Außenposten waren, und eine Reifenpanne hatte, wurden von ihnen getötet. Was steckt dahinter? Wo kommen diese Tiere her? Und warum sind sie so aggressiv? Commander Tayler macht sich große Sorgen und hat keine Ahnung, wie er das Problem in den Griff kriegen soll. Zum Glück kann ihm Malcolm, der oberste Wissenschaftsoffizier, helfen. Er war ein Studienkollege von Elisabeth, und die beide treffen sich anscheinend zufällig in Terra Nova wieder. Gemeinsam versuchen sie das Verhalten der Tiere zu analysieren, um aber deren Psychologie zu verstehen, brauchen sie zwei lebende Tiere, ein Männchen und ein Weibchen. Tayler und Jim gehen also auf die Jagd. Jim ist allerdings nicht so gut auf Malcolm zu sprechen. Er glaubt, dass Malcolm und Elisabeth früher eine Affäre hatten, und Malcolm sie deshalb nach Terra Nova rekrutiert hat. Er ist eifersüchtig. Inzwischen hat man festgestellt, dass die Tiere so aggressiv sind und die Menschen angreifen, weil sie ihr Revier verteidigen wollen. Terra Nova wurde nämlich auf ihrem Brutgebiet gebaut, das sie alle 9 Jahre zur Fortpflanzung aufsuchen. Zum Glück können Jim und Tayler zwei von den Flugsauriern einfangen. Elisabeth und Malcolm finden bei den Tieren Pheromone, die ihre Fortpflanzungsinstinkte regulieren. Sie versuchen ein Konzentrat dieses Stoffes zu entwickeln, um die Tiere in ein neues Brutgebiet, weit entfernt von Terra Nova, zu locken. Der Plan gelingt, und die Menschen in Terra Nova sind gerettet. Allerdings bleibt abzuwarten, ob Jim und Malcolm die negativen Gefühle, die sie dem anderen gegenüber haben, jemals ablegen können.

Zum Außenposten 3, auf dem mehrere Wissenschaftler an einem Forschungsprojekt arbeiten, ist der Funkkontakt abgebrochen. Tayler ängstigt das nicht weiter, es ist in letzter Zeit bereits des Öfteren vorgekommen, dass die Verbindung abgebrochen ist. Trotzdem macht er sich zusammen mit dem Soldaten Brady und Elisabeth auf den Weg zu dem Außenposten. Dort angekommen stellen sie fest, dass Ovosaurier die Stromkabel angefressen haben, und der Außenposten teilweise verwüstet ist. In dem Sanitätsbereich finden sie schließlich drei der Wissenschaftler, die vollkommen orientierungs- und hilflos sind. Durch die Aufzeichnungen, die die Wissenschaftler gemacht haben, bevor sie von dieser mysteriösen Krankheit befallen wurden, erfährt Elisabeth wie die Krankheit verläuft. Erst stellt sich eine Orientierungslosigkeit ein und am Ende leidet man unter einer vollständigen Katanomie, und weiß nicht mehr, wo man ist. Plötzlich setzen auch bei Elisabeth und Tayler die Symptome ein. Inzwischen macht sich Jim große Sorgen um seine Frau. Er hält die Ungewissheit nicht länger aus, und macht sich zusammen mit Malcolm auf den Weg zu dem Außenposten. Dort angekommen, werden sie von Elisabeth angegriffen, sie erkennt die beiden nicht. Zum Glück erinnert sie sich schließlich an Malcolm, sie glaubt in Chicago zu sein, zu der Zeit ihres Studiums. Und sie glaubt, mit Malcolm zusammen zu sein. Das gefällt Jim natürlich überhaupt nicht, erstens, weil sie ihn nicht erkennt, und zweitens, weil Malcolm die Situation mehrmals versucht auszunutzen. Außerdem stellt Tayler ein Problem dar. Er glaubt in Somalia zu sein, im Krieg, und er sucht verzweifelt nach seiner Frau. Deshalb macht er sich auf den Weg nach Terra Nova. Er glaubt, dass sie dort gefangen gehalten wird. Elisabeth und Malcolm versuchen ein Gegenmittel zu finden, aber als Malcolm Elisabeth gegenüber erneut zudringlich wird, setzt Jim ihn außer Gefecht. Jetzt muss Elisabeth allein die Suche fortsetzen, und durch einen glücklichen Zufall, kann sie das Problem lösen. Jim ist der einzige, der nicht infiziert ist, und da er erkältet ist, scheint er dadurch immun gegen die Krankheit zu sein. Endlich ist Elisabeth in der Lage ein Gegenmittel zu entwickeln. Sie schafft es und am Ende kann auch Tayler, der zwischenzeitlich Amok gelaufen ist, geheilt werden.

Eine Streife aus Terra Nova entdeckt im Dschungel ein kleines verängstigtes Mädchen und nimmt es mit in die Kolonie. Leah, das Mädchen, erzählt Taylor, Mira habe es festgehalten und es sei geflohen, weil es nicht mehr von Essensresten leben wollte. Taylor ist misstrauisch und glaubt Leah nicht, während Jim geneigt ist, ihr zu vertrauen. Elisabeth schlägt vor, dass die Kleine erst mal bei ihnen wohnen soll. Doch Leah ist verschlossen und verängstigt. Sie will sich nicht in die Gemeinschaft einfügen. Dann taucht Mira mit ihren Sixern auf und verlangt die Herausgabe des Mädchens. Leah will in Terra Nova bleiben. Als Nächstes stiehlt sie aus Miras ehemaligem Haus einen geheimnisvollen Behälter, den niemand öffnen kann. Sie wird erwischt und gibt als Grund an, dass Mira, die auch Leahs kleinen Bruder Sam in ihrer Gewalt hat, ihm etwas antut, wenn sie den Behälter nicht abliefert. Jim macht sich auf, um Miras Versteck zu finden. Ihre Leute haben Fallen aufgestellt und Jim tappt in eine hinein. Mira versucht ihn zu einem Seitenwechsel zu überreden, denn ihr Plan ist es, langfristig Taylor zu stürzen. Jim lässt sich nicht darauf ein. Es stellt sich heraus, dass weder Sam noch Leah ein Haar gekrümmt wurde. Das Mädchen hat gelogen, um sich in Terra Nova als Spionin für Mira einzuschleichen. Mira lässt Jim und Sam schließlich laufen. Eine Frau in Terra Nova ist bereit, die Kinder aufzunehmen. Bleibt noch das Geheimnis um den versiegelten Behälter...

Foster, ein junger Soldat aus Taylors Truppe, wird tot in einer Relaisstation aufgefunden. Er wurde von einem Raubsaurier angegriffen. Wie sich herausstellt, war es aber Mord. Bald schon gibt es ein Geständnis von Howard Milner, der den Saurier mit einem Köder in die Relaisstation gelockt und Foster dann dort eingesperrt haben will. Als Motiv gibt er Eifersucht an, denn seine Frau hatte eine Affäre mit Foster. Zur Strafe wird er von Taylor aus Terra Nova verbannt. Doch Jim kommen nach einem Gespräch mit seiner Frau Elisabeth Zweifel. Er fährt in den Dschungel und holt Milner zurück. Der Mann hat die Schuld auf sich genommen, weil er glaubte, seine Frau Rebecca hätte den Mord begangen, doch auch sie ist zumindest in dieser Hinsicht unschuldig. Das Paar kommt wieder zusammen. Der wahre Täter ist ein Kamerad von Foster, der Spielschulden bei ihm hatte. Er wird überführt und ebenfalls für alle Zeiten verbannt. Josh arbeitet heimlich in Boylans Bar, um Geld zu verdienen, damit er seine Freundin Kara aus der Zukunft nach Terra Nova holen kann. Natürlich gibt es Ärger mit Jim, als das rauskommt. Kara zu holen ist aber nur mit Miras Hilfe nötig. Sie verlangt von Josh, er solle ihr, sobald sie darum bitte, ohne Zögern einen Gefallen tun. Malcolm hat das Ei eines Ankylosaurus gefunden. Das Junge in dem Ei lebt, ist aber missgebildet. Elisabeth operiert es noch im Ei, und dann kann Zoe zusehen, wie es schlüpft.