Il destino di Barbie è ormai nelle mani di Big Jim. Intanto, Julia cerca l'aiuto di uno straniero per salvare la vita di una misteriosa ragazza.

Rebecca scopre un'infestazione di bruchi di farfalle monarca, che minaccia di distruggere tutto quello che viene coltivato sotto la cupola.

Su Chester's Mill cade una pioggia rossa e acida. C'è chi la interpreta come un segno divino e chi l'affronta con gli strumenti della scienza. Norrie è sempre più sospettosa della misteriosa ragazza del bosco.

Le condizioni di vita all'interno di Chester Mill continuano a peggiorare. Big Jim e Rebecca decidono di adottare soluzioni drastiche per il controllo della popolazione.

Dopo il chiarimento con Barbie, Julia cerca di ridistribuire le scorte di cibo. Intanto, Joe e Norrie tentano di aiutare Melanie a trovare ulteriori indizi sulla sua identità.

Junior, Sam e Barbie sono al ricerca di Lyle. Nel frattempo, Big Jim guida i cittadini di Chester's Mill nella costruzione di un congegno per contrastare la tempesta di sabbia.

Barbie cerca di scendere nel baratro per recuperare il cadavere di Sam. Joe manda un drone in esplorazione, ma passati i sei metri, si perde il segnale. Negli ultimi fotogrammi della registrazione però si vede un parco giochi a Zenith. Lì si trova Barbie che chiede aiuto al potente padre per tornare alla Cupola e parlare con Julia.

Barbie invia un'e-mail a Julia. Intanto, all'ospedale psichiatrico Pauline costringe Sam a iniettare un nuovo farmaco a Lyle, nel tentativo di farlo tornare cosciente.

Melanie e Junior sono impegnati a proteggere l'uovo, ritenuto non solo una valida moneta di scambio, ma anche un'importante sorgente di energia da sfruttare.

I Milleriani devono affrontare una nuova imminente catastrofe quando la temperatura a Chester's Mill si abbassa rapidamente, raggiungendo livelli da glaciazione.

Melanie sta sempre peggio. Nonostante le sue visioni siano cessate con la dipartita dell'uovo, Pauline dipinge un quadro con la soluzione per salvare Melanie. Ma le cose si complicano.

In questo finale della seconda stagione: Mentre tutti si prodigano per salvare Pauline, Joe, Norrie ed Hunter scendono ad esplorare il nuovo tunnel che ha inghiottito Melanie. La Cupola, intanto, continua a restringersi.