Serial opowiada o nietypowej parze agentów FBI. Fox Mulder (David Duchovny) i Dana Scully (Gillian Anderson) prowadzą tytułowe Archiwum X, komórkę Federalnego Biura Śledczego, do której trafiają wszystkie sprawy nie dające się wyjaśnić na drodze konwencjonalnego rozumowania. Mulder głęboko wierzy w istnienie istot pozaziemskich i innych niewytłumaczalnych zjawisk, będących przedmiotami ich śledztw. Praca w Archiwum X jest dla niego próbą wyjaśnienia zagadki zaginięcia swojej siostry, która – jak twierdzi Mulder – została porwana przez obcych. Scully natomiast, jako naukowiec, jest bardzo sceptycznie nastawiona do wszelkich badanych przez nich spraw, choć w toku wydarzeń sama także zaczyna wierzyć w paranormalne zjawiska. Z czasem do Muldera i Scully dołączają agenci John Doggett (Robert Patrick) i Monica Reyes (Annabeth Gish), tworząc drugi duet pracowników Archiwum X.

Po tajemniczej katastrofie samolotu, 48 osób pozostaje zdanych na własne siły na wyspie Pacyfiku… mile poza kursem. Szybko staje się oczywiste, że będą musieli poradzić sobie nie tylko z siłami natury, ale także z sekretami wyspy, jak Dharma Initiative, tajemniczymi cyframi, Innymi oraz dziwnym czarnym dymem, a to tylko kilka z wielu sekretów wyspy… Jest znacznie więcej niż widać na pierwszy rzut oka. Okazuje się, że każdy jest połączony w jakiś sposób i, że każdy ma cel, by żyć na wyspie… i jakiś, by umrzeć.