In de pilotaflevering spoelt een lijk, gewikkels in plastic, aan op een rivieroever. Al snel blijkt het te gaan om het jonge meisje Laura Palmer ( Sheryl Lee) dat in het bosrijke plaatsje Twin Peaks zowel geliefd als gehaat was. Alle bewoners zijn er kapot van, maar ondanks enkele arrestaties op korte termijn leidt geen enkel spoor naar de dader. Laura's beste vriendin, Donna Hayward ( Lara Flynn Boyle), is helemaal ontdaan en zoekt troost bij haar vriend James Hurley, die al net zo gescholt is. James was Laura's 'geheime' minnaar en hij bekent dat hij wist dat Laura de laatste paar dagen lastig werd gevallen. Hij is bang dat deze moeilijkheden tot haar dood hebben geleid. Een ander meisje, Ronnette Pulaski, wordt diezelfde dag aangetroffen, wanneer ze dolend langs een oude spoorbaan uit de bergen komt. Ze is zwaar mishandeld en wordt haastig naar een ziekenhuis gebracht, waar ze in coma raakt. Er lijkt een verband te bestaan tussen de aanval op haar en de moord op Laura Palmer.
Sheriff Harry Truman besluit de hulp in te roepen van een 'special agent' om het onderzoek te leiden. De aanpak van deze Dale Cooper ( Kyle Maclachlan) is op zijn zachts gezegd wat onconventioneel. Maar zijn scherpe humor en positieve houding als levensgenieter zorgen ervoor dat hij al snel een populair figuur wordt die het vertrouwen wint van Trumans team. Zijn dromen spelen zich steeds vaker af in een kamer vol rode gordijnen. De vermoorde Laura Palmer zit dan naast hem terwijl een dansende dwerg cryptische aanwijzingen geeft. Tegelijkertijd ontdekt Cooper dat iedereen is Twins Peak wel zijn eigenaardigheden en geheimen heeft. In Twin Peaks blijkt neimand helemaal onschuldig te zijn. Langzamerhand wordt de serie steeds vreemder, ingewikkelder en bizarder. Onverklaarbare visioenen en zelfs signalen van buiten de aarde gaan een steeds belangrijke rol spelen. Halverwege de serie is de dader bekemd, maar is het kwaad nog lang niet uitgeroeid.