Cidade: Tokyo-3. Ano: 2015. Como previsto há 15 anos, recomeçam os ataques dos Anjos. O jovem Shinji Ikari, 14 anos, é convocado por seu pai, comandante da organização que defende o planeta dos invasores, chamada NERV, para pilotar um superbio-mecha batizado de Eva. Shinji, ao rever o pai, com quem não se encontrava há três anos, resolve não pilotar o robô, mas muda de idéia depois de ver Rei, uma das pilotos que o substituiria, muito ferida.

Tudo leva a crer que a primeira batalha de Shinji contra o terceiro Anjo (Sachiel) seria um desastre. Atacado impiedosamente pelo seu inimigo, o herói acorda em um hospital e, ao se sincronizar com o Eva como um só, aniquilam o invasor. Apesar de tudo, o bio-mecha da NERV termina a batalha semi-destruído. Shinji passa, então, a morar na casa de Misato, para assim poder ter uma vida normal, na medida do possível, enquanto continua como piloto do Eva.

Shinji começa sua nova vida após mudar-se para o apartamento de Misato. O garoto tímido começa o seu treinamento para piloto do EVA 01, além de voltar às aulas em uma nova escola. Tantas mudanças só serviram para deixar Shinji se sentindo ainda mais só e, apesar disso, ele encontra forças para encarar mais uma batalha. A bordo do Eva 01, Shinji vence o quarto Anjo (Shamshel).

Depois de vencer o quarto Anjo, Shinji decide abandonar a NERV. Mas muda de idéia na estação de trem e volta.

Shinji tenta compreender porque seu pai é tão próximo da misteriosa Rei e o trata de modo frio e distante. Diante de seu novo dilema, o garoto tenta se aproximar da garota. O quinto Anjo (Ramiel) aparece. Shinji é convocado para enfrentá-lo, mas acaba seriamente ferido.

Shinji é resgatado a tempo e agora o alvo do Anjo é a central da NERV. Recuperado, Shinji é intimado a fazer parte de uma operação de emergência ao lado de Rei para conter o ataque do Anjo, mas ele está sem confiança em si e com medo. Mesmo assim, encara a missão e detona o invasor usando o super-rifle Positron JSSDF Fx-1.

A NERV não é a única agência a desenvolver armamento de defesa da Terra e várias concorrentes estão desenvolvendo projetos para substituir os caríssimos e perigosos EVAs. O robô Jet Along é o projeto da Nippon Heavy Industry Solidarity, umas das concorrentes da NERV. Durante sua apresentação, o Jet Along fica fora de controle e cabe à Shinji, à Unidade 01 e também à Misato, deterem-no.

Chega da Alemanha Asuka Langley Soryu, a Segunda Criança e piloto do Eva 03. Acompanhando a garota está Kaji Ryouji, o ex-namorado de Misato, o que a deixa enfurecida. Ainda em alto mar, o sexto Anjo (Gaghiel) ataca. Shinji e Asuka, pilotando juntos o terceiro Evangelion, vencem o gigantesco inimigo.

O sétimo Anjo (Israfel) ataca Tokyo-3 e, para derrotar a criatura, Shinji e a metida Asuka precisam não só unir forças mais uma vez, como também desenvolver um ataque sincronizado, parecido com uma dança, para dar fim ao inimigo.

É descoberto o embrião do oitavo Anjo (Sandalphon) crescendo dentro de um vulcão. Em uma perigosa missão, Asuka, à bordo de seu Eva, usando um traje especial, mergulha no mar de lava para tentar capturar o embrião vivo, mas o monstrengo eclode antes do esperado e ataca. Asuka consegue se livrar o Anjo e, em seguida, é salva por Shinji e a Unidade 01.

Bem quando o nono Anjo (Matariel) ataca, Tokyo-3 fica totalmente sem eletricidade, incluindo a central da NERV. Os Evas são lançados manualmente pelo Comandante Ikari e a nova ameaça é destruída com muito esforço.

Enquanto a turma comemorava a promoção de Misato a Major, o décimo Anjo (Sahaquiel) é localizado na órbita da Terra. O invasor gigantesco se lança em um ataque suicida e vira uma verdadeira bomba. Misato, então, ordena que os três Evas o agarrem antes que toque o chão. O plano dá certo e o Anjol é eliminado.

O décimo primeiro Anjo (Zeruel) consegue invadir os circuitos do computador central da NERV, Magi, reconfigura o sistema e ordena a autodestruição da base. Ritsuko, a filha da criadora do Magi, é obrigada a reconfigurar manualmente o computador para acabar com o Anjo "vírus" e salvar a central da NERV.

É revelado que a SEELE, uma organização secreta, está por trás da NERV. E é para ela que o comandante Ikari presta contas pela invasão do último Anjo na central da NERV. Shinji tenta pilotar a Unidade 0, mas a experiência é um fracasso.

Kaji se revela um espião infiltrado na NERV. Enquanto isso, Misato e Ritsuko vão a uma festa de casamento e lamentam ainda estarem solteironas, ao mesmo tempo em que Shinji e seu pai visitam o túmulo de sua mãe, Yui Ikari. No Dogma Central da NERV, o comandante Ikari faz estranhas experiências com Rei. Kaji, espionando o local, é surpreendido por Misato, porém os dois fazem uma estarrecedora descoberta: O primeiro Anjo, Adão, que veio para a Terra há quinze anos, estava preso na central da NERV.

Shinji está mais confiante do que nunca. Seus testes de sincronização com o Eva são os melhores dentre as Três Crianças. Porém, tanta confiança acaba lhe sendo prejudicial, pois ele age impulsivamente contra as ordens dadas e lidera o ataque contra o décimo segundo Anjo (Leriel). Por causa de sua manobra, o garoto acaba engolido pela criatura e, enquanto estava preso, Shinji embarca nas lembranças de seu subconsciente e recorda várias coisas como, por exemplo, de seu pai ter sido acusado de matar a esposa. De repente, como que por milagre, Shinji consegue restaurar suas forças e rasga o Anjo de dentro para fora, escapando com vida.

O teste da Unidade 04, em Nevada, nos EUA, dá terrivelmente errado. O Eva e toda a central da NERV nos EUA explodem. Agora é preciso encontrar a Quarta Criança para pilotar o Eva 03.

O Eva 03 chega ao Japão para ser testado. A Quarta Criança é escolhida: Toji Suzuhara, um dos colegas de escola de Shinji. Claro que esta informação é escondida do garoto. Durante o teste, a Unidade 03 é tomada pelo décimo terceiro Anjo (Bardiel) e Shinji tenta evitar o confronto mortal, pois sabia que havia alguém dentro dela. Diante de sua postura, o comandante Ikari tira o controle do Eva de Shinji, que assiste seu bio-mecha destroçar o Eva 03. Só depois do acidente, Shinji fica sabendo que Toji era o piloto da terceira unidade.

Revoltado com a descoberta que Toji era o piloto do Eva 03, Shinji jura nunca mais pilotar a Unidade 01. Mal ele havia deixado a central da NERV, o décimo quarto Anjo (Zeruel) começa o seu ataque. Asuka e Rei não conseguem detê-lo e ele invade a NERV. Vendo seus amigos em perigo e aconselhado por Kaji, Shinji volta atrás. Uma vez mais no Eva 01, uma incrível transformação acontece. Piloto e máquina se fundem e se transformam em uma fera, o Anjo acaba, literalmente, sendo devorado pela Unidade 01.

Shinji permaneceu fundido ao Eva 01. Numa tentativa desesperada, Ritsuko e Misato conseguem libertar o garoto do bio-mecha, depois de mais de um mês.

A SEELE quer descobrir qual o verdadeiro plano do comandante Ikari. Neste clima de conspiração, o nascimento da NERV começa a ser revelado, incluindo todos os eventos ocorridos depois do Segundo Impacto: A morte de Yui Ikari, a construção do Magi, a ascensão do comandante Ikari e o desenvolvimento dos Evas a partir dos restos de Adão, o primeiro Anjo.

Devido às suas últimas derrotas em batalha, o orgulho de Asuka está muito ferido. Enquanto isso, o décimo quinto Anjo (Arael) é localizado entrando na órbita da Terra. Misato ordena que Rei faça um ataque de longa distância, mas é Asuka quem vai em seu lugar para provar sua capacidade. A garota entra, inesperadamente, em crise mental e erra o tiro. O comandante Ikari ordena que Rei pegue a lança de Longinus estacada no peito de Adão, mas, se Adão e Eva entrarem em contato, poderão causar o Terceiro Impacto. A Unidade 00, então, entra em ação com a lança e liqüida com o décimo quinto Anjo no espaço.

Rei se sacrifica para derrotar o décimo sexto Anjo (Arumisael), mas estranhamente aparece apenas ferida no dia seguinte. Muitas questões são despertadas diante deste novo mistério. Misato e Shinji, através de Ristuko, descobrem que, na verdade, havia inúmeros clones de Rei e que os Evas também eram abastecidos por almas humanas.

Asuka continua em crise, acreditando não poder mais ser piloto do Eva e ainda é assombrada por fantasmas do seu passado. Para o lugar da garota, é chamada a Quinta Criança, o misterioso Kaworu Nagisa, que se dá muito bem com Shinji. Mas a alegria da Terceira Criança dura pouco, pois Kaworu é o décimo sétimo Anjo, cujo objetivo é alcançar Adão, o que pode levar a Terra à destruição. A batalha entre Shinji e Kaworu é inevitável e acontece no Dogma Central, onde está o primeiro Anjo. Enfurecido com a traição de seu amigo e ao mesmo tempo angustiado, Shinji cumpre sua missão e liqüida com o décimo sétimo Anjo. Enquanto a batalha desenrolava, a SEELE apertava o cerco sobre a NERV.

Após matar Kaworu, Shinji mergulha em uma nova crise existencial e ele não é o único: Asuka continua em depressão profunda e até Rei se confronta com seus clones. Muitas questões ficam no ar, inclusive dos possíveis assassinatos de Misato e de Hitsuko.

Shinji embarca em uma viagem ao seu subconsciente cheia de alucinações e, enfim, a Terceira Criança aceita sua própria existência no mundo em que vive. Porém, o futuro da NERV e o que aconteceu com cada um dos personagens permanece um mistério.