Al culmine della battaglia contro l'Angelo Zeruel, Shinji ha ottenuto un rapporto di sincronizzazione del 400% con l'Unità 01, un livello reputato impossibile. Tuttavia a causa di ciò, il suo corpo si è fuso con l'Evangelion ed è diventato LCL all'interno dell'Entry Plug. Nel corso di trenta giorni Ritsuko tenta faticosamente di trovare un modo per far tornare indietro Shinji, senza ottenere risultati. Intanto la coscienza del ragazzo compie un viaggio introspettivo nel quale entra in contatto con l'anima della madre Yui. Dopo aver parlato con lei, Shinji "rinasce" dal nucleo dell'Eva. Più tardi quella sera Misato e Kaji riprendono la loro relazione andando a letto insieme, fatto che disturba e fa infuriare Ritsuko.

Con l'aiuto di Kaji, Seele rapisce il vice comandante Kōzō Fuyutsuki per interrogarlo circa gli eventi in atto alla Nerv. In particolare l'organizzazione è oltraggiata dal fatto che nell'ultima battaglia l'Unità 01 abbia assorbito l'Elemento S² di un Angelo all'interno del suo corpo, in modo tale che adesso non necessita di una fonte di energia esterna, ma può funzionare indefinitamente. Mentre Fuyutsuki è interrogato dalla Seele, racconta in flashback del suo primo incontro con Gendō e Yui, degli eventi oscuri legati al Second Impact e della nascita della Nerv e degli Evangelion. Allo stesso modo viene rivelato il passato di Misato, Ritsuko e Rei. Nel frattempo Kaji, spinto dal desiderio di conoscere la verità, diserta e libera Fuyutsuki, ma paga questa azione con la vita. Alla fine il vice comandante può tornare alla Nerv e Misato riceve sulla segreteria telefonica l'ultimo messaggio dell'amante.

Dopo essere stata sconfitta ancora una volta da un Angelo, il rapporto di sincronizzazione di Asuka con l'Unità 02 continua a diminuire, inficiando la sua abilità di pilotare il mecha. Intanto fa la sua comparsa l'Angelo Arael, che si mantiene negli strati alti dell'atmosfera terrestre, rimanendo a distanza da ogni possibile attacco, incluso da parte degli Evangelion. Asuka riceve l'ordine di fare da supporto a Rei, ma la ragazza, infuriata, si lancia all'assalto del nemico per confrontarlo da sola. L'Angelo utilizza un'abilità telepatica che costringe Asuka a rivivere gli eventi traumatici della sua infanzia, come la pazzia e il suicidio della madre, causandole un'angoscia tale da perdere completamente la sincronizzazione con l'Eva, che si disattiva. Gendō ordina allora a Rei di prelevare la lancia di Longinus e di scagliarla contro il nemico. L'arma riesce a penetrare l'AT Field di Arael e lo distrugge, ma nella sua corsa raggiunge la velocità di fuga e fuoriesce dall'atmosfera terrestre, perdendosi sulla luna.

In seguito all'attacco mentale subito da Arael, Asuka sprofonda in uno stato di depressione e non riesce più a pilotare lo 02; per cui quando giunge il sedicesimo Angelo, Armisael, Rei è nuovamente chiamata ad affrontare il nemico. Nerv vorrebbe preservare l'Unità 01, ma quando l'Angelo tenta di fondersi con l'Unità 00 e di instaurare un contatto mentale con Rei, Gendō è costretto a dare l'ordine a Shinji di scendere in campo. Anche il ragazzo è sopraffatto dal nemico, ma per proteggerlo e distruggere al tempo stesso Armisael, Rei si fa autodistruggere insieme all'Eva. Shinji è devastato dal sacrificio dell'amica, ma di ritorno alla base della Nerv, ritrova Rei ancora in vita, incredibilmente sfuggita alla morte. Insospettita da questo nuovo mistero, Misato costringe con la forza Ritsuko a rivelare a lei e a Shinji la verità sulla Nerv. La ricercatrice li conduce dunque in una sala nascosta che accoglie tutti i resti dei vari prototipi di Evangelion e una vasca che contiene diversi cloni di Rei, tutti senz'anima.

Con il peggiorare dello stato depressivo di Asuka, che ormai ha perso la voglia di vivere, la Seele invia alla Nerv Kaworu Nagisa come pilota sostitutivo dell'Unità 02. Il ragazzo lega subito con Shinji e in poco tempo i due diventano amici. Tuttavia Kaworu si rivela presto essere l'ultimo Angelo Tabris, inviato dalla Seele per fondersi con Adam all'interno del Terminal Dogma e dare avvio in questo modo al Progetto per il Perfezionamento dell'Uomo. Nella sua discesa verso il Terminal Dogma, Kaworu è intercettato da Shinji a bordo dell'Unità 01, ma volgendogli contro l'Eva 02, l'Angelo è in grado di proseguire e di accedere al cuore del quartier generale della Nerv. Kaworu apprende allora che l'Angelo custodito all'interno del Terminal Dogma è Lilith e non Adam, proprio mentre Shinji sconfigge il suo avversario. Arrendendosi all'evidenza dei fatti, Tabris chiede a Shinji di ucciderlo e di prevenire in questo modo la distruzione dell'umanità. Il ragazzo esita, ma alla fine lo elimina schiacciandolo nel pugno dell'Eva.

Shinji entra in una fase introspettiva in cui mette in discussione i propri sentimenti e scopre che ha creato un'esistenza solitaria per se stesso; un mondo in cui lui solo può vivere. Asuka mette in dubbio le sue capacità e si rende conto che la sua più grande paura è quella di sentirsi inadeguata e sola. Rei ricerca nella sua coscienza la ragione della propria esistenza, mentre Misato affronta il suo rapporto con il padre e con Kaji. Tutti i personaggi si rendono conto che sono in qualche modo incompleti. Nel frattempo inizia il Progetto per il Perfezionamento dell'Uomo, architettato da Gendō per fondere tutta l'umanità in una sola coscienza collettiva e riunirsi in questo modo a Yui.

Il Progetto per il Perfezionamento dell'Uomo continua il suo svolgimento, mentre l'umanità cerca di completare la sua esistenza. Shinji, sempre alle prese con la sua analisi interiore, vede un mondo felice in cui i suoi genitori vivono con lui, in cui egli non è un pilota di Evangelion e le sue uniche preoccupazioni sono legate alla scuola e ai suoi amici. In questo modo si rende conto che la sua esistenza non è fissa, distruggendo il guscio protettivo che si era formato attorno. A questo punto in quello che sembra essere un teatro, gli si fanno incontro i genitori, gli amici e i conoscenti che lo applaudono per essere finalmente riuscito a capire il senso della sua vita ed egli, a turno, li ringrazia tutti.