Специальному агенту Дане Скалли, доктору и преподавателю академии ФБР в Виргинии, поручают работу в паре с агентом Фоксом Малдером над проектом «Секретные материалы» — архивом таинственных, нерешённых дел ФБР, которые зачастую связаны с паранормальными явлениями, случаями вампиризма и оборотничества, нападением генетических мутантов, свидетельствами о похищении людей пришельцами…

Малдер верит в пришельцев и пытается убедить скептика Скалли, что не всё и не всегда поддаётся разумному объяснению. Это связано с детством Малдера, душевной травмой, которую он перенёс в связи с исчезновением его сестры. Малдер убеждён, что её похитили инопланетяне и пытается выяснить как; это терзает его на протяжении всей жизни. Также отец Малдера своими поступками в прошлом, повлиял на его выбор в будущем. В своих дискуссиях Малдер и Скалли не столько стараются убедить друг друга, сколько получают удовольствие от самого общения. Постепенно первоначальное взаимное недоверие перерастает в дружбу, а чуть позже и в более глубокое чувство.

Эпизоды сериала делятся на два вида. Часть из них относятся к основной сюжетной линии, называемой мифологией сериала, которая на протяжении всех сезонов ведёт к своему логическому завершению и повествует о том, как Малдер и Скалли пытаются раскрыть тайны секретной правительственной организации, располагающей фактами о прибытии на Землю инопланетных цивилизаций. Подавляющее большинство других серий «Секретных материалов», которые называют монстрами недели, рассказывают об отдельных расследованиях Малдера и Скалли, как правило, не связанных с «мифологией». Тем не менее, некоторые «монстры недели» могут быть косвенно связаны с сюжетными линиями «мифологии», например, в том, что касается заговоров и интриг внутри ФБР и правительства США, личной жизни главных героев и второстепенных персонажей, ключевых именно для «мифологии». Поэтому для всестороннего понимания и оценки художественной ценности сериала необходимо смотреть все его серии и даже несколько абстрагироваться от какого-либо разделения на «мифологические» и «немифологические».

Ближе к завершению сериала раскрывается его фундаментальная суть, которая проливает свет на большинство событий, описываемых в сериале; по задумке авторов, правда, как всегда, — туманна, и истина ускользает в самый последний момент.