En 2015, Neo Tokyo-3 est attaquée par un Ange. Misato Katsuragi conduit Shinji à la base secrète de la NERV, qui est dirigée par le père qui l'a abandonné, Gendô.
Après avoir piloté l'Evangelion Unité 01, Shinji se réveille sur un lit d'hôpital, sans souvenir du combat. Misato prend pitié de lui et l'invite à emménager chez elle.
Quand le bruit se répand à l'école que Shinji est le pilote de l'Eva-01, son camarade Toji semble lui en vouloir. Shinji doit piloter à nouveau lorsqu'un Ange apparaît.
Encore ébranlé par son dernier combat, Shinji s'enfuit de chez lui et rencontre Kensuke. De retour à la NERV, Misato lui fait une proposition.
Rei Ayanami, la pilote de l'Eva-00, est remise de ses blessures, mais elle n'a aucun ami ni aucune trace de son passé, et se désintéresse complètement de Shinji.
Alors que l'Ange Ramiel fonce sur la NERV, Misato commande l'opération Yashima : toute l'énergie électrique du Japon est mobilisée pour utiliser un canon à positrons.
Après avoir révélé la véritable cause du Second Impact à Shinji, Ritsuko se rend avec Misato à la démonstration d'une arme développée par un concurrent de la NERV.
Shinji et ses amis accompagnent Misato pour rencontrer Asuka, la jeune fille qui pilote l'Eva-02. Ryoji Kaji, un vieil ami de Misato, fait partie du voyage.
Asuka et Shinji affrontent un nouvel Ange, sans succès. Ils ont six jours pour apprendre à synchroniser leurs mouvements s'ils veulent être en mesure de le détruire.
La NERV apprend qu'un Ange repose dans un volcan sous sa forme embryonnaire. Asuka est envoyée en mission pour le récupérer vivant avec l'Eva-02 et un équipement spécial.
Une panne de courant paralyse Neo Tokyo-3 au moment où un nouvel Ange est détecté. La NERV doit préparer les Eva manuellement, et les pilotes sont coincés à la surface.
Tandis que Gendô et Fuyutsuki sont dans l'Antarctique, Misato, récemment promu, est responsable des opérations. Un Ange apparu au-dessus de la Terre menace Neo Tokyo-3.
Un Ange infiltre la NERV et s'empare du système informatique Magi. Ritsuko propose de pirater l'ennemi pour lui envoyer un programme d'autodestruction.
La Seele enquête sur les agissements de la NERV et de Gendô pendant la période allant du troisième au onzième Ange. Ritsuko tente d'échanger les Eva entre les pilotes.
Pour la première fois depuis des années, Shinji retrouve son père sur la tombe de sa mère. Ritsuko, Misato et Ryoji se rendent à un mariage, et Asuka a un rendez-vous.
Au cours d'un combat, Shinji et l'Eva-01 sont engloutis par l'ombre d'un Ange. La NERV les croit perdus, mais Shinji fait une expérience étrange.
La Deuxième Filiale de la NERV disparaît avec l'Eva-04. Alors que l'Unité 03 est en cours d'acheminement, Gendô ordonne à Ritsuko de lui trouver un pilote.
L'Eva-03 arrive des États-Unis, mais Shinji ignore toujours qui va la piloter. Au cours d'un test d'activation, la NERV comprend qu'elle est possédée par un Ange.
Bouleversé par son dernier combat, Shinji jure de ne plus jamais piloter et démissionne une nouvelle fois de la NERV. C'est alors que la base est attaquée...
Après avoir accompli un taux de synchronisation inédit, Shinji est absorbé par l'Eva-01. La NERV tente de le sauver pendant qu'il vit une expérience extracorporelle.
La Seele enlève Fuyutsuki pour l'interroger au sujet de la NERV et des intentions véritables de Gendô. Le passé refait surface, et Ryoji disparaît.
Le taux de synchronisation d'Asuka continue à chuter et la fait douter d'elle-même. Déterminée à prouver son talent, elle désobéit aux ordres durant un combat.
Malgré ses échecs, Asuka reçoit l'ordre de venir en aide à Rei qui combat le seizième Ange. Lorsqu'elle échoue, Rei fait une tentative désespérée pour sauver Shinji.
Kaworu Nagisa, le Cinquième Enfant, débarque à la NERV pour piloter l'Eva-02 à la place d'Asuka. Il se montre amical avec Shinji, mais son dossier reste mystérieux.
Le Projet de Complémentarité de l'homme débute, et les âmes de l'humanité fusionnent. Les pilotes des Eva se confrontent à la nature de leur existence.
Le Projet de Complémentarité de l'homme se poursuit, et Shinji doit faire un choix : se résoudre à une existence solitaire, ou accepter d'être connecté aux autres.