Terra Nova sijoittuu vuoteen 2149, hetkeen jolloin ihmiskunta on kuolemassa sukupuuttoon. Maapallo on ylikansoittunut ja saastunut asuinkelvottomaksi. Tiedemiehet keksivät aikajatkumossa repeämän - portaalin, joka mahdollistaa matkustamisen 85 miljoonan vuoden päähän - esihistorialliseen aikaan. Tämä käynnistää kokeen, jonka tarkoituksena on korjata ihmiskunnan tekemät virheet ja palautta kuolleet kasvit ja eläimet. Monet perheet osallistuvat kokeeseen ja lähtevät innokkaana matkaan menneisyyteen. Onko aikamatkustajilla vastassaan paratiisi ja koskematon luonto? Ovatko he valmiita uhrauksiin, joilla ihmiskunta voidaan pelastaa?