Nel 2149 la vita sul pianeta Terra rischia di estinguersi a causa dell'inquinamento e della sovrappopolazione. Facendo degli esperimenti nucleari, alcuni scienziati scoprono una frattura spazio-temporale e la utilizzano per creare un portale in grado di trasportare chi lo attraversa su una Terra preistorica, 85 milioni di anni nel passato. La famiglia Shannon (Jim, un poliziotto, sua moglie Elisabeth, un medico, e i tre figli Josh, Maddy e Zoe) si trasferisce con il decimo pellegrinaggio a Terra Nova, la colonia creata al di là del portale, dopo aver fatto evadere Jim dal carcere in cui era rinchiuso come punizione per avere contravvenuto alle leggi sulla popolazione avendo concepito una terza figlia (in particolare, dopo aver reagito contro la polizia demografica): nel 2149 infatti, per non peggiorare la situazione di sovrappopolazione in cui il pianeta si trova, la legge vieta in modo assoluto di avere più di due figli. L'intera famiglia riesce quindi a giungere a Terra Nova. La Terra di 85 milioni di anni fa è un paradiso abitato da dinosauri e altre specie animali sconosciute. Nella colonia ad ognuno viene assegnato un lavoro e i ragazzi vanno a scuola. Elisabeth era stata esplicitamente richiesta, essendo un valente medico. A Jim, pur essendo giunto illegalmente, è offerta la possibilità dal comandante Taylor di lavorare nella sicurezza, essendo l'unico poliziotto. Quello che però appare all'inizio come un paradiso nasconde numerosi aspetti negativi: i "Sixers", un misterioso gruppo di uomini arrivati con il sesto pellegrinaggio si è staccato dalla comunità di Terra Nova e minaccia guerra; un gruppo di rettili alati ritorna dopo svariati anni per deporre le proprie uova proprio sul territorio dove è stata costruita Terra Nova e così molte pericolose avventure rendono difficile la vita nella colonia.