Terra Nova sigue a una familia corriente que se embarca en un viaje en el tiempo a la Tierra prehistórica, el cual, forma parte de un experimento masivo para salvar a la raza humana. En el año 2149 el planeta se está muriendo. Superpoblación, contaminación... la mayor parte de la vida animal y vegetal se ha extinguido. La humanidad se encuentra asímismo al borde de la extinción. 

Sabiendo que no hay forma de revertir los daños causados al planeta, una coalición de científicos ha logrado abrir una brecha en el continuo espacio-tiempo, creando un portal a la Tierra prehistórica. Dicho portal da paso a un mundo asombroso, que permite un último esfuerzo para salvar a la raza humana y quizá, cambiar el futuro mediante la corrección de los errores del pasado.

La serie se centra en la La Familia Shannon, que se une a la peregrinación de la décima parte de los colonos a Terra Nova, la primera colonia de humanos en esta segunda oportunidad para nuestra civilización.