Os agentes do FBI Fox Mulder e Dana Scully são encarregados de investigar casos inconclusos envolvendo fenômenos não explicados. Arquivo X abordou temas como teorias da conspiração ligadas a alienígenas, encobrimentos governamentais de alto nível e para-normalidade.
A agente do FBI, Dana Scully, é designada para trabalhar com o agente Fox Mulder para verificar seu trabalho em um projeto especial chamado Arquivo X. Fox Mulder acredita em paranormalidade, incentivado por uma memória vaga em que sua irmã foi abduzida por alienígenas. Já Dana é uma cientista e prefere encarar as coisas e buscar explicações de uma maneira lógica e racional. O primeiro caso da é em Oregon, na investigação de um mistério não resolvido envolvendo a morte de vários estudantes do colegial, o que Mulder acredita ter relação com alienígenas.
Mulder e Scully vão para uma Base de Força Aérea para investigar um piloto de testes militar que desapareceu depois de apresentar um estranho surto psicótico. Enquanto está no caso, Mulder conhece um misterioso homem apelidado de “Garganta Profunda”, que diz ter importantes informações sobre investigações envolvendo paranormalidade.
Um dos amigos de Scully da academia do FBI, que agora trabalha na Unidade de Crimes Violentos, pede a ele que o ajude em uma investigação de assassinato em que não há nenhuma entrada de bala aparente. Mulder percebe que esse caso é similar a uma série de outros do Arquivo X que têm ocorrido a cada trinta anos.
Enquanto o Chefe da Seção, Blevins, expressa sua preocupação com a direção do departamento do Arquivo X, Mulder fica obcecado em resolver um caso em que há semelhanças com a experiência que teve quando criança... a abdução de sua irmã, Samantha.
A viagem de Mulder para Atlantic City não envolve cassinos cintilantes ou hotéis luxuosos. Em vez disso, ele entra em um perigoso jogo de caça e caçador com o canibal que assombra as ruas e bosques em volta da cidade. Porém, não demora muito para que Scully, a eterna cética, seja atraída pela quantidade de evidências que Mulder consegue obter de agências de turismo locais.
Quando uma força invisível comete diversos assassinatos no mesmo local em que uma jovem está, Mulder suspeita de que essa força é o espírito do ex-chefe da moça tentando protegê-la, enquanto Scully prefere acreditar que o chefe em questão simulou sua morte.
Uma nova força inteligente age em meio a fios e circuitos eletrônicos. Quando contra-ataca, matando o antigo parceiro de Mulder no processo, ele e Scully precisam achar uma breca em sua defesa.
Quando uma equipe de pesquisa no Ártico misteriosamente matam uns aos outros apenas alguns dias depois de mergulharem em um nível no gelo onde nunca tinham ido, Mulder e Scully acompanham uma equipe de médicos e cientistas para investigarem. Eles descobrem um organismo que infecta criaturas vivas e amplia os sentimentos de raiva e paranóia do hospedeiro, e a nova equipe começa a se deteriorar quando começam a especular quem entre eles são assassinos.
Mulder e Scully são contactados por um especialista de comunicação da NASA que mostra e ele evidências de sabotagem em um programa espacial. O ídolo de juventude de Mulder é abalado por um aparente envolvimento de um importante astronauta.
Quando um pedaço de terra isolado é cercado por cercas de laser e as explicações sobre isso são mudam a toda hora, a curiosidade de Mulder faz com que ele ultrapasse os limites de sua jurisdição. As tentativas de Scully para proteger Mulder não são muito bem sucedidas e nenhum dos agentes parece capaz de proteger o inocente Max Fenig.
Quando dois pais em lugares opostos do país são inexplicavelmente mortos na mesma hora e da mesma forma, Mulder e Scully são chamados para investigar. Eles descobrem que ambos os pais tinham filhas de oito anos, e que essas filhas eram gêmeas idênticas.
Quando uma antiga namorada de Mulder pede ajuda a ele em um caso internacional envolvendo a inexplicável execução de vários dignitários britânicos, eles encontram um assassino que consegue produzir fogo com suas mãos.
Scully tem um contato com o paranormal quando seu falecido pai aparece para ela em uma visão. Enquanto isso, Mulder fica cético quando um condenado a morte que ele ajudou a mandar para prisão diz ser um médium e se oferece para levar os agentes até um serial killer.
Mulder e Scully investigam uma série de assassinatos em que o suspeito parece ser homem e mulher ao mesmo tempo. Sua investigação os leva a pequena cidade de Stevenston, em Massachusetts, onde uma comunidade vive isolada do mundo.
Quando o agente do FBI Jack Willis leva um tiro durante um assalto a banco, a agente Scully toma uma atitude drástica para ressucitá-lo enquanto o ladrão do banco, Warren Dupre, morre na mesa de operação. Depois disso, o agente Willis começa a exibir um comportamento similar ao de Dupre.
Mulder torna-se o alvo de alguém do seu passado, John Barnett, um ladrão de jóias que Mulder mandou para a prisão quando se associou ao Bureau. O único problema é que Barnett morreu quatro anos atrás.
Um significativo aumento de visões envolvendo OVNIs e um estranho ataque a um caminhão de transporte convencem Mulder de estar atrás de um alienígena vivo sendo transportado de forma escondida pelo país. Scully, desconfiada do envolvimento dos Pistoleiros Solitários e do Garganta Profunda, prefere uma explicação mais... terrestre.
Scully e Mulder são levados para o território de milagres e impostores por conta de uma morte envolvendo um grupo religioso. Quando Samuel, conhecido por poder ressuscitar e curar pessoas, dá a entender que sabe algo sobre a irmã de Mulder, Scully fica convencida de que o jovem está armando alguma. Mulder não está tão certo assim.
Mulder e Scully viajam para uma reserve indígena para investigar a morte de um índio que foi confundido com um animal selvagem e talvez fosse o lendário Manitou, um homem que pode mudar de forma, transformando-se em animal.
Quando um grupo desaparece na Floresta Nacional do Estado de Washington da mesma forma como outro grupo desapareceu há 50 anos, Mulder e Scully investigam e acabam presos em uma cabana rodeada por insetos carnívoros que atacam apenas a noite.
Eugene Tooms, mutante, é liberado do hospício e Mulder envolve-se de forma pessoal para garantir que ele seja flagrado conseguindo o último fígado que ele precisa antes de hibernar por outros 30 anos.
Depois que um detetive e seu antigo parceiro morrem em circunstâncias inexplicadas, os acidentes são ligados a uma garotinha que testemunhou as duas mortes. Mulder acredita que ela seja a reencarnação de um policial assassinato por seus dois colegas.
Quando uma série de mortes ocorre em um grupo de cientistas trabalhando com tecnologia de propulsão avançada, Mulder e Scully são chamados para investigação. Todas as evidências parecem apontar para o zelador Roland, que é mentalmente deficiente.
Quando Garganta Profunda conta uma nova história sobre um fugitivo que aparentemente se afogou, Mulder e Scully não entendem o que o caso tem de especial, mas seguem a pista mesmo assim. Com a insistência de Garganta Profunda, eles descobrem evidências de um projeto secreto do governo chamado Controle de Pureza, que infecta humanos com DNA extraterrestre. Contudo, as evidências e testemunhas estão sendo rapidamente eliminados.
