Der Zeitreisende Jim Shannon (Jason O’Mara) reist gemeinsam mit seiner Familie 85 Millionen Jahre zurück in die prähistorische Vergangenheit. Während die Erde im Jahr 2149 an Überbevölkerung und Umweltverschmutzung zugrunde geht, soll Shannon im Auftrag der Wissenschaft mit seiner Zeitreise die menschliche Rasse bewahren und die Fehler der Vergangenheit korrigieren. Das neue Utopia ist eine Kolonie namens Terra Nova, die von Commander Nathaniel Taylor (Stephen Lang) gegründet worden ist. In ihrem neuen Zuhause finden Jim, seine Frau Elisabeth (Shelley Conn) und die Kinder Josh (Landon Liboiron), Maddy (Naomi Scott) und Zoe (Alana Mansour) einen strahlend blauen Himmel und überwältigende Landschaften mit alles überragenden Wasserfällen vor. Doch die Idylle trügt, denn hier liegen auch menschenfressende Dinosaurier und weitere Gefahren auf der Lauer. Zudem scheint nicht allen Bewohnern von „Terra Nova" wirklich an der Rettung der Menschheit gelegen zu sein. Und auch die Shanonns bringen ein Familiengeheimnis mit in die neue Heimat.