Les Shannon, une famille ordinaire vivant en 2149 alors que la Terre se meurt, est envoyée dans le passé, 85 millions d'années plus tôt à l’ère préhistorique. Ils rejoignent "Terra Nova", une organisation humaine à qui des scientifiques offrent une seconde chance pour reconstruire une civilisation. Mais la Terre promise et les habitants qui la peuplent, petits et géants, ne sont pas tous accueillants...