I Terra Nova får vi följa en helt vanlig familj på deras otroliga resa tillbaka till urtiden som en del i ett stort experiment för att rädda människligheten. Året är 2149 och världen är döende. Planeten är överutvecklad, överbefolkad och förorenad. Med majoriteten av allt växt- och djurliv utrotat har hängivenheten till vetenskap har tagit mänskligheten till randen av undergång, men har också skapat det enda hoppet av frälsning. Med vetskapen om att det inte finns något sätt att åtgärda planetens skador, har en grupp forskare lyckats öppna upp en spricka i rumtidskontinuumet och skapat en portal till urtiden.

Människans hopp ligger i kolonin Terra Nova, belägen 85 miljoner år bakåt i tiden när dinosaurerna vandrade jorden. Polisen Jim Shannon fängslas för att olagligt ha fött ett extra barn, men han och hans familj lyckas fly och smita in på en resa till Terra Nova. Väl på plats möter de dinosaurier och mystiska krafter som vill förgöra hela kolonin.