時は西暦2149年。地球は環境破壊が進み、人口過多によって人口規制が敷かれていた。人類存続の危機が迫る中、8500万年前の美しい地球へ人類を移住させるという壮大な植民計画が施行される。それは科学実験の過程で偶然に生まれた時空の裂け目を利用したタイムスリップだった。その太古の人類居住区は"テラノバ(新しい地球)"と呼ばれていた。元警官のジム・シャノンは末娘のゾーイをかくまった罪で投獄されていたが、外科医の妻エリザベスが第10移住隊の一員に選ばれたのをきっかけに、危険を冒してテラノバへ密航することを決意する。長男のジョシュは、恋人を残して旅立つことをためらい、長女のマディは期待に胸をふくらませる。こうして5人のシャノン一家は、さまざまな思いを胸にテラノバへと足を踏み入れることになる。テラノバにたどり着いた家族を移住第一号の司令官テイラーが迎え入れる。彼は、居住者を統率するカリスマ的存在だった。太古の美しい自然を前にして新しい希望を抱いた一家だったが、周囲は恐竜などの古代生物が棲息する危険な未知の世界でもあった。そして、居住者を脅かす存在は凶暴な恐竜だけではなかった…。