2015 год нашей эры, 15 лет прошло после событий Второго Удара — ужасного глобального катаклизма, когда люди столкнулись с Ангелами. Для борьбы с этими существами был создан специальный институт Nerv, возглавляемый Гэндо Икари. К настоящему моменту Nerv разработал специальные боевые машины — Евангелионы, которыми по пока что неизвестным причинам могут управлять только четырнадцатилетние подростки, специально отобранные институтом. Синдзи Икари — сын Гэндо — прибывает в Токио-3, где расположен институт Nerv. Сюда его вызвал отец, который оставил Синдзи в детстве на попечение опекунов. Гэндо, почти не проявлявший отцовских чувств, вряд ли мог вызвать Синдзи просто потому, что соскучился; кроме того, Ангелы впервые за 15 лет спокойствия вернулись.

Синдзи просыпается в лазарете. Он почти ничего не помнит о сражении с Ангелом сутки назад. Гэндо остаётся всё так же холоден к Синдзи; они предпочитают жить отдельно. Узнав об этом, молодая привлекательная капитан Мисато Кацураги настаивает на том, чтобы Синдзи пожил у неё (благо в её квартире есть свободные комнаты). Таким образом она становится его официальным опекуном. Синдзи поселяется у Мисато. Засыпая, он вновь вспоминает события битвы с Ангелом, и на этот раз множество прорех в его памяти заполняется ужасными воспоминаниями.

Синдзи переводится в одну из школ Токио-3. Нападение Ангела потрясло город, и множество семей с решило уехать. Одноклассник Синдзи — Тодзи Судзухара — узнаёт, что Синдзи — пилот Евангелиона; Тодзи в ярости, так как во время сражения была ранена его сестра. Тодзи избивает Синдзи за это. В этот же день появляется новый Ангел. Кенске Аида — друг Тодзи — боится, что после драки Синдзи может не захотеть вновь пилотировать Евангелион.

Подверженный стрессу после управления Евангелионом и отчитанный Мисато за неповиновение приказам, Синдзи сбегает из дома. Через некоторое время его находят сотрудники Nerv и доставляют в штаб-квартиру. Синдзи больше не хочет пилотировать Еву и собирается покинуть Токио-3. На станции его встречают Кенске и Тодзи, который сожалеет о драке и просит простить его. В последнюю минуту на станцию приезжает Мисато, но в это время поезд Синдзи уже отходит.

Аянами Рей. Не эмоциональная, не ищущая контактов девушка. Синдзи имел интерес к этой более близкой к его отцу чем он девушке и пытался сблизиться с ней. Однако, она не открыла ему своего сердца. В ответ на слова о том, что он не доверяет отцу, Рей дала ему пощёчину. Во время тестирования Евы-00 появляется пятый Ангел. Еву-01 с Синдзи доставляют на поверхность, но Ангел немедленно реагирует и выстреливает в Еву корпускулярной пушкой. Выстрел был настолько мощным, что Синдзи теряет сознание; он находится при смерти.

Ангел, напавший на Токио-3, пытается достичь штаб-квартиры Nerv, находящейся под городом с помощью бура. АТ-поле защищает Ангела от маломощных атак, и он уничтожает все цели в зоне досягаемости своей корпускулярной пушкой. Nerv разработал план уничтожения Ангела издалека, при помощи дальнобойной позитронной пушки. Синдзи просыпается в госпитале; его состояние практически в норме. После разговора с Рэй он соглашается принять участие в операции по уничтожению Ангела.

От доктора Рицуко Акаги — научного специалиста Nerv — Синдзи узнаёт больше о Евангелионах, Ангелах, правду о Втором ударе — о том, что он был вызван по неосторожности людей. В это время одно из военных ведомств, конкурирующих с Nerv, создаёт гигантского робота — Jet Alone. Он похож на Евангелионы, но питается с помощью внутреннего ядерного реактора; кроме того, он не требует непосредственного присутствия пилота внутри. Таким образом, Jet Alone может полностью вытеснить Евангелионов, и проекты Nerv будут свёрнуты. Но во время демонстрации робот неожиданно выходит из-под контроля; ядерный реактор внутри готов взорваться и уничтожить всё вокруг в радиусе нескольких миль. Такой сбой в системе робота мог быть вызван только человеческим вмешательством — кто-то саботировал проект.

Мисато берёт Синдзи и его друзей — Тодзи и Кенске — на корабли флота ООН, которые сейчас перевозят Еангелиона-02 из Германии, где он был собран, в Японию. Попав на флагман флота, они встречают пилота Евы-02 — Сорью Аску Лэнгли — и бывшую любовь Мисато — Рёдзи Кадзи. Скоро радары засекают нового Ангела, готовящегося атаковать из океана. Аска, не спрашивая советов, запускает Еву-02, чтобы вступить в бой с Ангелом.

Аска переводится в класс, где учится Синдзи, и переезжает в квартиру Мисато. Через некоторое время появляется новый Ангел, который способен разделяться на две одинаковых части, которые легко расправляются с Евами, если те будут действовать порознь. N2 бомба замедлила Ангела, но не остановила его. Для полного уничтожения Ангела Евангелионы (а значит, их пилоты) должны действовать синхронно и слаженно. Сложный характер Аски — это большая преграда при подготовке операции.

Пока класс, где учатся пилоты Евангелионов, отправляется в поездку на Окинаву, Синдзи, Рэй и Аска остаются в Токио-3 на случай нового нападения Ангелов. Nerv обнаруживает странное существо, погруженное в магму в жерле вулкана в Японии. Сенсоры показывают, что это — бездействующий Ангел, готовый пробудиться. Аска, используя улучшенное снаряжение Евы-02 собирается спуститься в жерло вулкана и захватить Ангела для дальнейших опытов Nerv. Уже при всплытии Ангел неожиданно просыпается и атакует Еву-02.

В Токио-3 и Nerv полностью отключается электроэнергия (аварийные источники питания не работают); сотрудники института предполагают, что это произошло в результате саботажа. В это время в Токио-3 появляется новый Ангел, а все три пилота Евангелионов находятся вне штаб-квартиры. Синдзи, Рэй и Аска самостоятельно пытаются найти дорогу к Центральной догме. Одновременно сотрудники Nerv вместе с Гэндо вручную подготавливают Евы к запуску.

Ангел гигантских размеров возникает на Земной орбите, и Евы неспособны его достигнуть. Массированная атака N2 бомбами не даёт никакого результата. Ангел бросает небольшие куски собственного тела на Землю, пристреливаясь для атаки на Токио-3. После успешного наведения Ангел бросает своё тело вниз для того, чтобы уничтожить город. Евангелионы 00, 01 и 02 задействованы для того, чтобы задержать падение Ангела АТ-полем и уничтожить его.

Пилоты Евангелионов проходят тест синхронизации под управлением Рицуко в штаб-квартире Nerv, когда Ангел проникает в Город. Этот Ангел — множество микроорганизмов, которые, взаимодействуя, составляют компьютерную схему. Ангел проникает в компьютерную сеть Nerv и захватывает 2 из 3 суперкомпьютеров MAGI, однако Рицуко удаётся установить на последнем компьютере защиту, которая замедляет захват. Ангел пытается включить механизм самоуничтожения базы Nerv, для чего требуется согласие всех трёх суперкомпьютеров. И хотя защита замедлила захват, Рицко по-прежнему нужно вернуть контроль над базой, перехитрив Ангела.

Первая часть эпизода представлена в виде доклада Seele, посвящённого рассмотрению действий Гэндо. Здесь вкратце повторяются события предыдущих эпизодов. Во второй части Рицуко Акаги проводит эксперимент, который должен выявить, могут ли быть взаимно заменимы пилоты Ев. Оказывается, что Рей может синхронизироваться с Евой-01, однако когда Синдзи пытается синхронизироваться с Евой-00, та выходит из-под контроля.

Кадзи начинаёт своё секретное расследование с целью вызнать тайны Nerv. После этого Кадзи, Мисато и Рицуко идут на свадьбу. В это время Рей и Синдзи оставляют после уроков для того, чтобы провести уборку в школе, а Аска отправляется на свидание вслепую. Позже Аска от скуки целует Синдзи.

В Токио-3 появляется новый Ангел — чёрно-белая сфера, нависшая над городом. Все три Евы были мобилизованы для атаки, но Синдзи, напав первым, вместе с Евой-01 был контратакован Ангелом, проявившем себя в новой форме — огромной чёрной тенью, засасывающей в себя всё подряд. Евангелион-01 был засосан внутрь «моря»; Nerv начинает планирование новой операции по уничтожению Ангела и спасению Синдзи. Рицуко предлагает самые радикальные меры (сброс N2 бомб в «море»), которые могут повлечь уничтожение Евы, если она всё ещё находится там. Синдзи действительно находится внутри Ангела, но не может сам выбраться оттуда; системы жизнеобеспечения могут работать автономно всего семнадцать часов.

Второе отделение Nerv в пустыне Невада загадочным образом пропало во время эксперимента по установке S2 двигателя. Вместе с лабораториями и аппаратами исчезли все работники комплекса, а также Евангелион-04, разрабатывавшийся там. После этого правительство США решает прекратить разработку почти законченной Евы-03 в первом отделении Nerv в штате Массачусетс и отправить её в Японию. Для пилотирования новой Евы избран Тодзи.

Евангелион-03 переправляется в Японию с помощью авиации. Во время полёта самолёт пересекает грозовую тучу, которая, вероятно, являлась ещё одним Ангелом. К тому моменту, когда Еву-03 первый раз запускают, она уже была «инфицирована» и немедленно вышла из-под контроля Nerv и пилота — Тодзи. На перехват Евы, теперь идентифицируемой как Ангел, были отправлены все Евангелионы Токио-3. Но Ангел легко расправился с Евой-00 и Евой-02. Когда он встречает Еву-01, управляемую Синдзи, тот отказывается сражаться, так как боится ранить пилота внутри Евы-03. Гэндо приказывает включить систему автопилота.

В результате боя между Евой-01 и Евой-03 Тодзи получил серьезные ранения (в частности, потерял ногу). Синдзи покидает Nerv во второй раз, но через некоторое время появляется новый Ангел, который быстро расправляется с Аской и Рэй. Синдзи неожиданно встречает Кадзи, который пытается уговорить его снова пилотировать Евангелион, чтобы защитить от смерти тех, о ком заботился Синдзи.

Во время кульминационного момента боя с последним Ангелом Синдзи смог достигнуть невероятного уровня синхронизации с Евой. В результате его тело растворилось в LCL внутри контактной капсулы. По прошествии тридцати дней Рицуко решает пойти на крайние меры для того, чтобы восстановить тело Синдзи. В это время его разум, взаимодействуя с Евой, вновь переживает самоанализ и пересмотр всех событий, происходящих с ним.

Заместитель главнокомандующего Фуюцуки похищен для допроса Seele, недовольными тем, что им не сообщили о Евангелионе-01, который полготил S2 двигатель, больше не нуждается во внешнем источнике питания и является самодостаточной боевой машиной с богоподобной силой. В это время Кадзи, временно отстранённый от должности, продолжает расследование в Nerv. Пока Фуюцуки содержится в изоляторе Seele, его посещают воспоминания о первой встрече с Гэндо, Юи Икари, Втором Ударе, зарождении Gehirn и Nerv.

Степень синхронизации Аски продолжает падать после поражения в бою с последним Ангелом. Аску посещают тревожные воспоминания о детстве; она становится всё более раздражённой, постепенно приходит в уныние. Новый Ангел атакует с орбиты Земли с помощью психического оружия. Аска хочет доказать, что она всё ещё может пилотировать Еву и пытается контратаковать. Но сила Ангела слишком велика, и Аска ломается, когда ментальная атака заставляет вновь пережить её самые худшие моменты в жизни и постигнуть свои собственные страхи. Гэндо решает использовать для уничтожения Ангела Копьё Лонгиния.

Вследствие нападения последнего Ангела Аска впадает в глубокую депрессию. Скоро появляется новый Ангел. Во время боя с Евангелионами-00 и -01 он контактирует с разумом Рэй. Чтобы спасти Синдзи, Рэй вызывает самоуничтожение Евы-00, которое влечёт за собой и уничтожение Ангела. Мисато требует, чтобы Рицуко раскрыла ей и Синдзи тайны Nerv и правду о настоящей природе Рэй.

Так как из-за депрессии Аска больше не может пилотировать Еву-02, Seele посылает нового пилота на замену ей: Каору Нагиса. Он смог быстро завоевать доверие Синдзи и подружиться с ним. Ещё один Ангел атакует непосредственно конечную догму, где предположительно находится Адам. В конце концов Синдзи смог захватить Ангела, но он должен убить того, кто ему близок, чтобы спасти мир.

Начинается Комплементация, концом которой станет соединение душ всех людей. Главные герои изучают себя, осмысливают свою жизнь и дальнейшее существование. Синдзи не хочет находиться в этом мире с другими людьми, он пытается создать мир только для себя одного.

2016 год нашей эры. Комплементация переходит в решающую фазу; скоро человечество переродится в новую форму жизни. Синдзи продолжает исследовать себя, своё сознание. Он представляет мир, в котором бы он не был пилотом Евангелиона, а был бы простым мальчиком. В конце концов Синдзи начинает понимать, что нельзя вечно жить одному и прятаться от людей.