El primer episodio del Piloto comienza con un científico en escena probando una nueva invención. Aparentemente algo sale mal, pero las consecuencias del altercado no son predecidas por el inventor hasta pasadas unas horas. Al mismo tiempo, un Marshall de los Estados Unidos (Jack Carter) “escolta” a una joven en su coche patrulla, más adelante conoceremos que esta joven es realmente su hija Zoe. La carretera parece solitaria mientras se acercan a un pequeño pueblo en medio de nada cuando de repente un coche se les cruza con la sorpresa de que son ellos mismos los que van dentro de él. Seguidamente un perro se les cruza en el camino y tienen un accidente. Jack acudirá a la oficina del Sheriff del pueblo y comenzará a observar extraños comportamientos en las vidas de los residentes de la pequeña ciudad. El Sheriff ayudará a Carter con su asunto del coche, llamará a Henry, un aparente mecánico que arreglará el vehículo. Sin embargo, extraños acontecimientos comienzan a ocurrir. Walter, el científico, y su familia pretenden alejarse unos días con su caravana y parecen asustados por algo que está ocurriendo. De repente, una parte de la caravana se volatiliza con su hijo y una investigación comienza en el lugar de los hechos. Carter comenzará a investigar la desaparición de Brian cuando conoce a Allison, representante del departamento de Justicia que al parecer intenta poner trabas a la búsqueda de pruebas de Carter. El caso se resuelve pero no el problema, el Sheriff del pueblo tiene otro extraño altercado en su casa con el mismo tipo de fenómeno que el de la caravana de Walter. Por ello, Allison tendrá que recurrir a Carter y mostrarle la cara oculta de Eureka. Jack conocerá las instalaciones de la ciudad y que el pueblo está formado por científicos de todo tipo, mentes privilegiadas reunidas para avanzar en medios tecnológicos para abastecer al mundo entero. Jack comenzará a investigar lo que está ocurriendo mientras comienza a trazar una interesante amistad con Allison y con otras personas del pueblo.

Después del desastre ocurrido, Beberly (la psiquiatra) envenena a Susan Perkins por saber demasiado ya que al parecer su marido Walter trabajaba con alguien más que estaría implicado en el robo del chip de la zona S-5 para construir la máquina del primer episodio. Después de recibir un “ascenso”, Jack trabajará como Sheriff en Eureka tras el abandono del Sheriff Cobb. Su primer trabajo será presenciar el entierro de Susan y Walter. Kevin, su hijo vivirá momentáneamente con Allison. Ahora Jack tendrá que investigar un caso sobre “fantasmas” y afrontar la aparición de la Susan Perkins original. La anterior era un clon que había creado Walter para poder tener una familia. Jack vivirá en la nueva casa del futuro creada por Fargo.

Un nuevo genio llega a Eureka para la presentación de un traje protector humano contra todo tipo de armamento. Los secretos que ocultan tanto él como la psicoterapeuta Beberly se escapan de las manos de todo el mundo. Jack tratará de detener al nuevo genio, amigo de Henry, por haber ido a más velocidad de la permitida, sin embargo, la detención se le escapará delante de sus narices y no podrá recordar nada en absoluto. Seguidamente, y tras otro intento de detención, Jack volverá a perder la memoria y disparará a Henry. Pasados los minutos nadie recuerda lo ocurrido. Carter tendrá que descubrir que está ocurriendo realmente sin tener recuerdos de lo que ha hecho y quién le ha hecho qué.

Spencer y sus amigos se juntan en su caravana para ver una nueva película pirateada desde el satélite. Lupo también se unirá a ellos tras intentar que bajaran el volumen de los altavoces. Spencer aparece al día siguiente habiendo sido aparentemente abducido por extraterrestres. Los demás que vieron la película comenzarán a obsesionarse por el asunto y a temer una invasión alienígena. Carter deberá averiguar que ha provocado todo lo ocurrido y si realmente está relacionado con los experimentos de Stark en Global Dynamics.

Después de una explosión en el laboratorio que acaba con años de investigación sobre la regeneración celular, Stark despide al Doctor Carl Carlson. Al perder todo lo que tenía en la vida, Carl acude a un puente de Eureka para suicidarse. Jack acude para intentar convencerlo de que no lo haga, pero ambos caen al vacío. Milagrosamente, ambos sobreviven a la caída, y además, Carl regenera sus heridas al instante, haciendo ver que la regeneración celular es posible. Stark decide readmitirlo en Global Dynamics. Pero sospecha que la regeneración que soporta Carl no es sólo fruto de la investigación, sino que está relacionada con el artefacto misterioso alojado en la sección 5.

Fargo es trasladado a un nuevo despacho por parte de Stark. En él encontrará una máquina que después de ser activada creará una catástrofe de límites insospechados para la humanidad. Carter tendrá 24 horas para averiguar la manera de detener el lanzamiento del “rallo de la muerte”. La máquina fue construida por un científico habitante de Eureka que se quedó a las puertas de conseguir el premio Nobel. Después de aquel suceso, el anciano perdió toda noción de la realidad. Por ello Carter tendrá que averiguar cuales fueron sus intereses antes de aquel suceso para desactivar el cañón de iones.

Carter investigará un accidente totalmente inusual entre una persona y un vehículo que puede tener una relación sospechosa con experimentos realizados en la zona 5 de Global Dynamics. Las relaciones entre Carter y su hija se van afianzando, por lo contrario, Allison se va alejando de Stark que se lavará las manos de nuevo tras la implicación de Global Dinamics

Eureka tiene problemas internos que hacen que fallen varios ordenadores, los del aire acondicionado, los semáforos, las vayas electrificadas... Después de que Henry descubriera un virus que afecta a la intranet de Eureka, Jack y Allison creen que este hecho está relacionado con la misteriosa vuelta a Eureka de Callister Raynes, un joven y prometedor programador que abandonó la ciudad hace algún tiempo cuando todo el mundo creía que era culpable de originar un incendio en un laboratorio, todo el mundo menos Nathan Stark.

Lo-Jack es atropellado por un coche y resulta herido. Jack y Jo lo llevan a Taggart para curarlo. Éste usa nanorobots, lo que impresiona mucho a Jack. Después de la intervención, Taggart olvida cerrar el bote de nanorobots y éstos se escapan a través de los conductos y pasillos de Global Dynamics, sembrando el caos allá por donde pasan. Matan a un técnico de ordenadores y consiguen reproducirse gracias a su carbono. Cuando Taggart ve a Lo-Jack fuera de su jaula, descubre que no sólo se pueden reproducir sino que también pueden adoptar formas vivas. Los nanorobots pillan por sorpresa a Nathan y adoptan su forma, escapando del perímetro de seguridad de Global Dynamics, deambulando por las calles de Eureka.

Henry coloca un nuevo sistema de comunicación celular para Eureka. Mientras Fargo y su vecino Seth Osborne mantienen una continua lucha porque éste último pone la música muy alta a sus plantas y Fargo no es capaz de conciliar el sueño. De repente la ciudad se viene abajo misteriosamente durante la noche. Todo el mundo ha cambiado de humor a excepción de Jack y Zoe, por lo que éste tendrá que investigar la sospechosa situación en soledad. Por otro lado, Nathan se obsesionará con lo que oculta la sección 5 de Global Dynamics.

Después de que Stark impidiera una detención a Carter, éste decide tomarse unos días de baja y se plantea la posibilidad de abandonar Eureka definitivamente. Su día libre es interrumpido cuando llegan Allison, Stark, Henry, Fargo y Beverly demandando que han recibido un mensaje por parte del propio Carter. Éste lo niega, pero S.A.R.A.H. cierra la puerta dejándolos dentro encerrados y sin la posibilidad de salir alegando que una amenaza se cierne sobre Eureka si Henry abandona la ciudad. Carter y los demás se dan cuenta de que S.A.R.A.H. no los liberará hasta que resuelvan sus diferencias, mientras Lupo y Taggart tratan de ayudarles desde fuera intentando acceder al búnker

Durante la graduación de Zoe en 2010, los ciudadanos de Eureka disfrutan de un feliz presente y brillante futuro. Henry está casado con su colega científica del alma Kim. Jack y Alisson están felizmente casados y esperan un bebé. De repente, Fargo interrumpe la celebración de Zoe requiriendo la presencia de Carter y Allison en Global Dynamics para solucionar un misterio espantoso. El cuerpo de una mujer ha aparecido calcinado por la radiación en la sección cinco y no va a ser fácil averiguar a quien pertenece. Henry, que ahora dirige Global Dynamics, dice que va a estar complicado reconocer el cuerpo porque el ADN está muy dañado debido a la radiación. Kim investiga a fondo para averiguar de quién es el cuerpo encontrado, mientras Carter y Alisson descubren que el Jeep de Jack, una reliquia del año 2007, aparece en plena calle central. Fargo teoriza entonces, que Eureka está sufriendo anomalías temporales debido al acelerador de taquiones de Global Dynamics.