O Arquivo X é uma arquivo que contem relatos sobre casos paranormais e não explicados que acabaram guardados no subsolo do FBI, mais tarde achados pelo agente Fox Mulder. Desacreditado e debochado pelos outros membros do FBI, Mulder começa a investigar esses arquivos X que contém casos de abduções e parecem envolver uma conspiração do governo americano para esconder a existência de vida extraterrestre. Nos arquivos também se encontram casos evolvendo satanismo, relatos de aparições de fantasmas, ocultismo e outros casos misteriosos.
E dentro da sua busca frutífera pela verdade está seu objetivo inicial, que é encontrar sua irmã, raptada há mais de vinte anos e que ele acredita ter sido por alienígenas.
Na tentativa de invalidar as suas investigações e fechar o arquivo x, o FBI recruta a agente Dana Scully, uma agente que além de médica, cientista e legista, é cética e deve reportar e dar uma explicação cientifica para os estranhos casos que Mulder e ela vão investigar, mais ou menos como uma espiã. Entretanto com o passar do tempo, a própria agente Scully começa a se dar conta de que as inacreditáveis teorias de seu parceiro fazem sentido e cada vez mais a sua ciência passa não mais a confrontar o que testemunha, mas a buscar respostas científicas para tais acontecimentos.
Pouco a pouco, Scully torna-se mais crente e sua parceria com Mulder evolui a estágios inesperados de grande amizade (nas temporadas seguintes um romance) e cumplicidade na busca pela verdade e para desbaratar a grande conspiração que envolve os altos escalões do governo americano.