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.

Na pokładzie samolotu lecącego z Australii do Los Angeles nierozpoznany niebezpieczny wirus zabija młodych ludzi. Następnie rozprzestrzenia się w Los Angeles. Kayla Martin - lekarka z Centers for Disease Control poszukuje nosiciela wirusa, aby wynaleźć szczepionkę przeciw niemu.

Horatio Caine dowodzi grupą śledczych z Miami zajmujących się łapaniem zbrodniarzy za pomocą najbardziej nowoczesnych metod.

Vincent Chase jest młodym aktorem, który stawia pierwsze kroki w Hollywood. Wraz z agentem Arim oraz przyjaciółmi przeżywa wzloty i upadki.