En vanlig familie reiser tilbake i tid for å delta i eksperimentet som skal redde kloden fra undergang i denne dramatiske Spielbergserien.

Vi befinner oss i år 2149, og løpet er kjørt for planeten Jorden. Dyre- og planteliv er nærmest utryddet, menneskehetens fremtid er tvilsom, og Jim og Elsabeth Shannon bestemmer seg for å gripe muligheten da vitenskapsmenn klarer å konstruere en portal som kan sende mennesker tilbake til prehistorisk tid.

Målet er kolonien Terra Nova, der et eksperiment foregår. Menneskene i kolonien skal prøve å forandre menneskets historie, og på den måten få planeten på rett kjøl.

Jim Shannon er en hengiven familiefar som elsker familien sin, og guider dem gjennom dette spennende eventyret. Han har en variert fortid, og tilbyr å hjelpe å opprettholde lov og orden i Terra Nova. Etter hvert får han bryne seg på både drapsetterforskning og å hindre epidemiutbredelse. Han blir en viktig samarbeidspartner for Taylor.

Elisabeth Shannon er årsaken til at nettopp deres familie får dra. Hun er nemlig kirurg med høy kompetanse innen akuttmedisin. Hun blir en del av det medisinske teamet i kolonien. Det hun ikke vet, er at det er en gammel kjæreste som har fått henne dit, en som gjerne vil gjenoppta kontakten.

Barna, Josh (17), Maddy (15) og Zoe (5) har forskjellige følelser rundt det å reise fra alt de kjenner.

Josh hater det, og er rasende. Kjæresten og alle vennene - ja, alt han kjenner - må han forlate. Men ved ankomst møter han Skye, en sjarmerende, vakker, men rampete kolonist, og alt sinnet ser ut til å være glemt, en stund.

Maddy, en keitete, men veldig søt 15-åring, kan ikke vente. Hun higer etter et nytt liv med blanke ark så hun kan finne seg selv opp på nytt. Zoe er bare fem år, og en hemmelighet som involverer yngstedatteren kan true familien Shannons posisjon i kolonien.

Ved ankomst blir familien Shannon tatt i mot av koloniens leder, Nathaniel Taylor (Stephen Lang). Han er blant pionerene i Terra Nova, en karismatisk og heroisk mann. Men han har allerede rukket å få seg fiender.

Blant hans fiender er Mira (Christine Adams) som leder en utbrytergruppe som har flyttet ut av kolonien. Hun benytter en hver anledning til å felle Taylor. I tillegg advarer Taylor den nye familien om at det midt i idyllen av fossefall og uberørt natur, befinner seg menneskeetende dinosaurer.

Men det aller mest truende med den nye tilværelsen, skal Shannonfamilien oppdage etter hvert. Det synes som om denne trusselen befinner seg inne i kolonien. Noen der har ikke den samme oppfatning av hvordan menneskeheten skal reddes. Tvert i mot vil de knuse den.