Esta segunda temporada cuenta cómo la investigación del agente Cooper sobre el asesinato de Laura Palmer es interrumpida cuando recibe una orden del FBI por haber realizado una operación sin autorización en el burdel "Jack el Tuerto". Además, Cooper recibe algunas pruebas sobre el asesinato de Laura de un misterioso "gigante" que se le aparece en sueños. Conforme la ciudad se va preparando para el concurso Miss Twin Peaks, Cooper intenta investigar el secreto de la Logia negra con ayuda del Sheriff Truman.
La segunda temporada comenzó a emitirse de forma discontinua el 30 de septiembre de 1990 con un total de 22 episodios. La cadena ABC obligó a Lynch y Frost a desvelar quién era el asesino de Laura Palmer al poco de comenzar esta segunda temporada. Éste hecho supuso el comienzo de un progresivo declive argumental. Inicialmente pensaron en desarrollar la historia de amor entre Cooper y Audrey, pero como Kyle MacLachlan era pareja sentimental en la vida real de Lara Flynn Boyle (Donna en la serie), ésta puso bastantes impedimentos a esta nueva trama, por lo cual los productores optaron por desarrollar el personaje de Windom Earl, antiguo compañero desaparecido y ahora enemigo de Cooper.
A comienzos de febrero de 1991 la cadena ABC anunció el cese indefinido de la emisión de la serie. Los innumerables seguidores de 'Twin Peaks' reclamaron a la cadena su continuación con constantes protestas y lograron que Frost y Lynch regresasen al proyecto y al horario semanal inicial de la serie a mediados de marzo de 1991. A pesar de que los últimos 6 capítulos mejoraron el nivel de los anteriores la serie fue cancelada un mes después debido a la escasa recepción y el declive progresivo de audiencia. En junio de 1991 se emitieron de forma simultánea los dos últimos capítulos de la serie, siendo el último dirigido nuevamente por David Lynch y logrando superar con creces el nivel de calidad de los anteriores episodios.