Coulson en zijn team zijn nu op zoek naar voortvluchtigen met beperkte middelen - maar dat belet hen niet de wereld te beschermen tegen krachtige en ongeziene bedreigingen. Met de nieuwe leden die ze echter nauwelijks kennen, zal S.H.I.E.L.D. ooit weer vertrouwd worden?

Lance Hunter wordt gevangen genomen door generaal Talbot, die hem tegen S.H.I.E.L.D. op probeert te zetten. Om de Obelisk uit handen van HYDRA te houden, geeft Raina S.H.I.E.L.D. Creel’s locatie door. Fitz en Mack bouwen een wapen dat Creel kan uitschakelen.

Coulson hoort van Simmons, die undercover bij HYDRA werkt, dat HYDRA Donnie Gill wil rekruteren als lid. Simmons bewijst zich genoeg voor Whitehall om haar een promotie binnen HYDRA te geven. Ondertussen krijgt Skye van Ward, die door S.H.I.E.L.D. vast wordt gehouden, nieuws over haar vader.

Na een brand in een kerk in Florida, wordt in de as een schilderij gevonden met daarop dezelfde vreemde tekens die Garrett vlak voor zijn dood overal op tekende; en iets waar Coulson ook door geplaagd wordt. Coulson en May gaan undercover naar een veiling om het schilderij te bemachtigen. Talbot en Agent 33 zijn daar ook, en bemachtigen het schilderij eerder. Coulson stemt toe om Talbot te ontmoeten maar niets blijkt te lopen zoals ze willen!

Raina ontdekt dat Simmons undercover werkt bij HYDRA. Ze zoekt contact met Coulson en dreigt Simmons te ontmaskeren. Coulson weigert! Wanneer Skye de buitenaardse tekens die Coulson heeft getekend ziet, herkent ze wat het moet voorstellen: Skye’s vader, beseffend dat S.H.I.E.L.D. tussen hem en zijn dochter in staat.

Om S.H.I.E.L.D. verder in diskrediet te brengen, valt HYDRA het kantoor van de Verenigde Naties aan. Senator Christian Ward, de broer van Grant Ward, besluit om S.H.I.E.L.D. vogelvrij te verklaren. Coulson zoekt Christian op en biedt aan om Grant aan hem te overhandigen als Christian de jacht op S.H.I.E.L.D. afblaast. Christian stemt toe, maar tijdens het gevangenentransport weet Grant te ontsnappen.

Coulson's drang om te willen tekenen wordt alsmaar sterker. Wanneer een andere patiënt van Project T.A.H.I.T.I. wordt vermoord, en blijkt dat haar lichaam vol is gekerfd met de symbolen, besluit Coulson om andere patiënten van Project T.A.H.I.T.I. die de GH–325 kregen toegediend te vinden. Ondertussen is Ward op de vlucht voor zowel S.H.I.E.L.D. als HYDRA, en maakt plannen om zijn broer op te zoeken.

Het team splitst zich in twee groepen: Coulson, Mack en Morse gaan op zoek naar de verborgen stad en May, Skye en Hunter schieten Raina te hulp, die wordt ontvoerd door HYDRA. Raina vertelt Skye dat zij beiden de Diviner kunnen hanteren zonder erdoor te worden versteend, en dus de tempel in de stad binnen kunnen gaan. Het team wordt aangevallen door Ward en Skye wordt meegenomen.

Ward brengt Skye naar haar vader, Cal. Hij vertelt haar dat haar echte naam Daisy is en dat Whitehall haar moeder heeft vermoord. Whitehall arriveert met een team en er ontstaat een gevecht. Raina en Skye gaan samen met de Diviner de tempel binnen. Triplett kan nog net mee de tempel in glippen. In de tempel ontdekken ze wat de Diviner in werkelijkheid is.

Na de dood van Triplett zoekt Coulson een manier om terug te slaan tegen Hydra. In San Juan laat S.H.I.E.L.D. de buitenaardse stad overstromen, maar niet voordat een getransformeerde Raina, die er nu monsterlijk uitziet, ontsnapt. Wanneer Cal haar de rug toekeert en haar eraan herinnert dat ze nu heeft wat ze wilde, probeert Raina zelfmoord te plegen, maar ze wordt meegenomen door Gordon, die kan teleporteren. Fitz en Skye realiseren zich dat Skye ook getransformeerd is. Fitz besluit haar geheim te bewaren en verbergt de waarheid voor de rest van het team.

S.H.I.E.L.D. wordt ingeschakeld om Lady Sif te helpen, die aan geheugenverlies lijdt, en op zoek is naar iets genaamd "Kava", waarvan ze later ontdekken dat de plaats is waar Whitehall de Diviner vond. Daar vangen ze de man die een Kree is genaamd Vin-Tak, en die naar de aarde is gekomen om alle Diviners op aarde te vernietigen. Ondertussen probeert Morse haar nieuwe relatie met Hunter te beëindigen en zijn er verdenkingen dat Mack en Morse iets verbergen.

Cal rekruteert een groep gevaarlijke individuen uit S.H.I.E.L.D.'s Gifted Index om zijn wraak te plannen. May roept de hulp in van Dr. Andrew Garner, haar ex-man en een psycholoog, om met Skye te werken. Ergens anders verbergt Mack Hunter totdat ze worden opgehaald door een organisatie die Mack "het echte S.H.I.E.L.D." noemt. Gordon neemt Cal mee naar zijn leidinggevenden, die hem kleineren omdat hij wetenschap gebruikt om zijn kracht te vergroten.

Op aanbeveling van Garner haalt Coulson Skye uit actieve dienst en laat haar achter op een schuilplaats met handschoenen die ontworpen zijn om haar te helpen haar krachten te onderdrukken. Ward en Agent 33 sporen de man op die het masker van Agent 33 heeft gemaakt. Hij repareert haar masker zodat ze haar oorspronkelijke gezicht weer aan kan nemen en haar uiterlijk naar believen kan veranderen. Hiermee infiltreren ze Talbots basis en halen Bakshi uit de gevangenis. Van Bakshi leren ze over Agent 33's leven voordat hij haar hersenspoelde. Mack stelt Hunter voor aan Robert Gonzales en de leiders van "het echte S.H.I.E.L.D."

Gordon zoekt Skye op in haar schuilplaats, en biedt aan om haar naar een veilige plek te brengen waar ze kan leren haar krachten te beheersen. Coulson ontdekt ondertussen dat Mack een spion is. Morse steelt een computerkubus genaamd Fury’s gereedschapskist. May helpt Coulson ontsnappen alvorens zich over te geven aan Gonzales. Gonzales laat tevens een team uitrukken om Skye in te rekenen. Uit zelfverdediging verwondt Skye per ongeluk meerdere agenten. Geschrokken over wat ze kan doen, staat ze toe dat Gordon haar meeneemt. Coulson zoekt ondertussen contact met de ontsnapte Hunter.

Gordon brengt Skye naar Afterlife; een locatie in China waar mensen zijn die de potentie hebben om de verandering tot InHuman te ondergaan. De oprichter van Afterlife, Jiaying, wordt Skye’s mentor. Bij S.H.I.E.L.D. dient Fitz zijn ontslag in omdat hij zich niet kan vinden in de praktijken van Gonzales. Coulson en Hunter stelen een Quinjet met behulp van agent Mike Peterson. Samen besluiten ze HYDRA te infiltreren, maar de enige die hen hier klaarblijkelijk bij kan helpen is Ward.

May krijgt van Gonzales de leiding over Coulson’s oude basis. In Afterlife wordt Skye vrienden met de inhuman Lincoln en leert zij de ware aard van haar krachten; ze kan de natuurlijke resonantie van objecten manipuleren en vergroten. Jiaying onthult haar geheim aan Skye. Fitz zoekt contact met Coulson om hem Fury’s gereedschapskist te geven.

Cal kan niet in Afterlife blijven omdat hij geen echte InHuman is, maar Skye wil hem niet zomaar de deur wijzen. Coulson, Fitz, Hunter en Peterson contacteren ondertussen Ward en Kara, die instemmen om te helpen HYDRA te infiltreren. Ze laten de nu gehersenspoelde Bakshi contact zoeken met Dr. List, een van de huidige topmannen van HYDRA. Uiteindelijk komen alle partijen samen in Cal’s oude kantoor.

Coulson wordt terug naar S.H.I.E.L.D. gebracht, en biedt aan om List’s basis op de zuidpool binnen te dringen om Peterson en Lincoln te bevrijden. Raina krijgt een visioen waarin ze Skye Lincoln ziet redden, en overtuigd Gordon om Skye naar S.H.I.E.L.D. te brengen. Coulson ontdekt cruciale informatie over de verblijfplaats van Hydra-leider Baron Wolfgang von Strucker. In Afterlife stemt Jiaying ondertussen in dat Cal nog een tijdje mag blijven, en krijgt Raina een visioen waarin ze Ultron steden ziet vernietigen.

Coulson onthult aan de raad van bestuur van het nieuwe S.H.I.E.L.D. dat hij een helicarrier tot zijn beschikking heeft. Raina ziet in een visioen dat S.H.I.E.L.D. een oud Kree-wapen bezit, wat mogelijk de Inhumans kan doden. Dit wapen heeft de gedaante van een zwarte monoliet, die op onregelmatige momenten vloeibaar wordt. Gonzales gaat namens S.H.I.E.L.D. naar Jiaying toe, maar eenmaal daar onthult Jiaying dat ze geen intentie heeft om vrede met S.H.I.E.L.D. te sluiten. Ondertussen lokt Kara agent Morse in een hinderlaag.

Jiaying's plan om de InHumans op te zetten tegen S.H.I.E.L.D. slaagt, en het S.H.I.E.L.D. team moet Afterlife ontvluchten. Skye blijft achter. Later die avond hoort ze hoe Raina op de hoogte is van Jiaying’s plan, en ziet ze Jiaying een gruwelijke daad plegen. Hierdoor begint ze te beseffen wat voor iemand haar moeder werkelijk is. Cal geeft zich over aan S.H.I.E.L.D. Jiaying`s doel is om al het S.H.I.E.L.D. personeel naar een schip te lokken, Skye wil haar tegenhouden, maar wordt opgesloten..

Fitz, Mack, Coulson en Cal infiltreren het schip en schakelen de InHumans uit. May en Hunter zijn met een team agenten op zoek naar Morse. Terug op de basis laat Cal S.H.I.E.L.D. zijn geheugen wissen zodat hij een nieuw leven kan beginnen. Skye krijgt het commando over een nieuw team van agenten met superkrachten. May trekt zich even terug van S.H.I.E.L.D., en Ward begint een nieuw team voor zichzelf te vormen. Simmons onderzoekt de monoliet.