15년만에 사도가 나타나고, 사도 사키엘이 향하는 방향으로 도시에 피난령이 발령된다. 아버지에게 부름을 받은 신지는 제3신동경시로 향한다. 신지는 네르프 본부의 지하에 있는 에바 격납고에서 몇 년만의 아버지와의 만남을 갖는다. 아버지인 겐도는 신지에게 에바에 탑승해 사도와 싸우라고 명령하는데...

신지는 리츠코의 지시를 받아 초호기를 조종하지만 결국 넘어진다. 사키엘의 공격으로 초호기가 작동 중지 되나 싶었던 순간 초호기가 스스로 재작동하고 사키엘에게 달려든다. 사키엘이 AT필드를 펼쳐 저항하지만 초호기는 부러진 왼팔을 자가복구 한 뒤, 사키엘의 AT필드를 자신의 AT필드로 중화시키고는 찢어버린다.

전학온 지 3주가 지났는데도 혼자 지내던 신지를 토우지는 아니꼽게 생각하고 주먹을 날린다. 코피를 흘린 채로 누워 있는 신지에게 레이가 다가와 비상소집이라 말하고 떠난다. 제4사도 샴셸이 신동경시에 침입한 것. 보도 통제에 불만을 품은 켄스케는 토우지를 꼬셔 대피소에서 같이 나와 뒷산에서 초호기와 사도를 목격한다.

토우지와 켄스케가 찾아오지만 신지가 집에 없다고 미사토에게 듣는다. 가출한 신지는 홀로 최대한 멀리 떠나 보지만 결국 네르프 요원들에 의해 발각되고 다시 네르프 본부로 가게 된다. 신지는 자신은 더 이상 네르프 소속이 아니라며 정식으로 가출하고, 가출 도중 캠핑 중인 켄스케를 만나 여러 이야기를 나눈다.

신지는 며칠 동안 학교에 나오지 않은 레이에게 가정통신문을 전해 주러 레이의 아파트에 가게 된다. 레이가 어버지를 어떻게 생각하냐고 묻자, 신지는 아버지가 자신을 버리고는 신경쓰지 않는다며 불평한다. 이윽고 레이는 신지의 뺨을 때리면서 너는 아버지를 신경 써준 적이 있느냐며 화를 낸다.

전력공급이 끊기면 몇 분 밖에 움직이지 못하는 에바의 문제점을 해결한 새로운 사도격퇴용 로봇 JA가 등장한다. 원자로를 탑재해 동력원으로 사용하는 로봇 JA의 시범 가동이 시작되고 사람들은 박수를 치지만, 얼마 못 가 JA의 원자로에 이상이 생기고 제어봉을 잡입해 정지시키려는 시도 역시 실패한다.

에반게리온 2호기를 일본으로 수송하던 UN 함대를 사도 가기엘이 습격하게 되고 이에 신지와 아스카가 함께 2호기에 탑승해서 사도와 싸운다. 처음에는 수중 장비를 장착하지 않은 2호기에게 불리하게 진행되지만, 전함 2척을 자침시킨 후 가기엘의 입 안에 집어넣고 영거리 사격과 자폭으로 가기엘을 제압한다.

제7사도 이스라펠을 잡기 위해 신지의 초호기와 아스카의 2호기가 함께 출격하지만 호흡이 맞지 않는 둘은 이스라펠에게 난타당하고 후퇴한다. 이스라펠을 엄청난 수의 N2 폭탄으로 붙잡아 둔 사이, 아스카와 신지는 이스라펠을 함께 잡기 위한 합숙 훈련을 시작하며, 결국 둘은 미사토와 동거하게 된다.

제 8사도 산달폰이 마그마 속에서 태아 상태로 발견되어 아스카의 2호기가 이를 포획하기 위해 투입된다. 작전 도중 산달폰이 깨어나 사도 섬멸로 목표가 변하고, 아스카는 산달폰의 입 안에 냉각수를 쏴 열팽창시키는 방법을 쓰지만 산달폰이 2호기의 연결 케이블을 끊어 위기에 처한다.

알 수 없는 이유로 제3신동경시가 정전되고, 이 때 제 9사도 마트리엘이 습격해 온다. 0호기, 초호기, 2호기가 최초로 다 함께 출격하는 작전. 처음엔 마트리엘의 공격으로 팔레트 건을 떨어트리고 퇴각하지만, 아스카가 즉석에서 생각해 낸 작전으로 마트리엘을 손쉽게 격파한다.

지상으로 고속 추락하는 가장 큰 사도인 제10사도 사하퀴엘을 에반게리온이 직접 받아 낸다는 작전을 시행하고 결국 막아낸다. 미사토가 네르프에 들어온 이유가 사도에게 복수하고 싶기 때문이라는 것이 밝혀진다. 전투 이후 이카리 겐도가 신지에게 잘했다고 칭찬을 하며, 이는 신지의 심리에 큰 영향을 미친다.

파일럿들이 나체로 싱크로 테스트를 하던 중 바이러스형 제 11사도 이로울이 침투한다. 슈퍼컴퓨터 마기가 이로울에게 침식당하지만 리츠코의 활약으로 이로울을 격퇴하는 데에 성공한다. 한편 파일럿 삼인방은 비상사태에 플러그가 사출되어 알몸으로 호수에서 몇 시간을 기다린다.

전반부는 총정리 개념의 에피소드로 인터뷰 혹은 제레의 회의 형식으로 지금까지의 내용을 요약한다. 후반부에는 신지와 레이가 에바의 기체를 바꿔 탑승하는 크로스 테스트를 시도한다.

신지와 친구들의 평온한 에피소드가 이어지는 가운데, 카지는 릴리스를 아담이라 착각하여 미사토에게 알려준다. 미사토는 카지를 차 버린 이유가 그와 사귀던 도중 카지의 안에서 자신의 아버지를 발견한것이 두려웠으며, 그동안 깨끗했던 자신에 질려 카지를 남자로서 이용했다는 죄책감 때문이라고 고백한다.

에바 싱크로 테스트의 결과에서 신지의 싱크로율이 드디어 아스카보다 높게 나온다. 한 순간에 신지에 의해 1등을 빼앗긴 아스카는 명령을 무시하고 제12사도 레리엘을 공격하는데, 순간 레리엘이 사라지면서 초호기 위로 오더니 갑자기 초호기가 레리엘의 그림자 속으로 빨려들어 간다.

네바다에서 에바에게 S2기관을 투입하는 실험을 하다 에반게리온 4호기가 폭발하여 일대가 증발하는 사고가 발생한다. 저장할 곳이 없는 에바 3호기는 일본의 네르프에 맡겨진다. 한편 카지는 미사토에게 에바의 파일럿은 머독 기관이 아니라 네르프가 뽑으며, 애초에 머독 기관 같은건 없다고 한다.

에바 3호기의 파일럿은 모두가 예상한대로 토우지. 토우지가 플러그에 들어간 후 순조롭게 싱크로가 이루어지는데 순간 에반게리온 3호기가 입을 벌리고 포효를 하더니 주변 일대가 폭발했다. 그리고 3호기는 침식형 사도에 의해 사도화된 것으로 확인, 에반게리온 3호기는 그 순간부터 제13사도인 발디엘로 바뀐다.

신지는 친구인 토우지를 이용해 사건에 끌어들여 이용하려 했다며 엔트리 플러그 사출을 거부한다. 남은 전력으로 네르프의 반을 쑥대밭으로 만들 수 있다며 협박하는데, 이에 겐도는 단호하게 LCL 압력을 최대로 하도록 하여 신지의 정신을 잃게 한 다음 엔트리 플러그를 사출하고, 신지는 부상을 입어 입원한다.

폭주한 초호기는 네르프의 사도 격퇴용 방어시스템에 의해 붙잡힌다. 한편 신지는 초호기의 폭주로 싱크로율 400%를 찍었는데, 이 때 신지의 AT필드가 풀리고 엔트리 플러그 속의 LCL 용액과 융합된다. 신지는 플러그 속에 영혼만 떠다니며 마음 속의 아야나미 레이와 이야기를 나눈다.

에반게리온 건조 당시의 이야기. 유이와 겐도의 만남과, 유이가 죽고 난 뒤의 겐도와 사귀게 된 아카기 나오코, 그리고 첫번째 레이의 이야기가 진행된다. 또한 아버지가 죽고 우울증에 빠져 나오려 노력하는 대학시절의 미사토와 그녀의 친구 리츠코, 카지에 대한 이야기가 나온다.

아스카가 싱크로율에서 2위를 한 것에 자괴감을 느끼고 있는 상황에 15번째 사도 아라엘이 출현한다. 초호기는 폭주로 동결되고, 아스카가 출격하여 상공의 아라엘을 사격하기에 이른다. 이번이 마지막 기회라고 생각하며 신중히 조준하는 순간, 갑자기 빛이 구름 사이로 내려오며 아스카가 고통스러워하기 시작한다.

아스카는 폐인이 되어 싱크로율 0% 상태에 이르고, 식물인간 상태로 입원하게 된다. 16번째 사도 아르미사엘이 침공하자 초호기와 0호기가 출격하게 된다. 아르미사엘이 0호기에 접근하여 그대로 에바 0호기에 침식 공격을 시도하고, 사도의 공격을 받은 0호기는 순식간에 괴상한 형태로 뒤틀리기 시작한다.

아스카의 빈자리를 채울 파일럿으로 제레에서 보낸 파일럿, 나기사 카오루가 등장한다. 그런데 사실 카오루는 17번째 사도 타브리스였고, 네르프 내부에 침입하여 헤븐즈 도어를 열고 아담을 맞이하러 간다. 하지만 그가 마주친 건 인간들의 시조 릴리스였고, 제레에 이용당한 것을 안 카오루는 신지에게 죽여달라고 말한다.

신지는 에바에 타는 고통을 참고 겨우 친구들을 만들었는데, 그마저도 아스카는 식물인간 상태, 미사토는 카지의 죽음으로 반 폐인, 레이는 자신에 대해 모를 뿐 아니라 카오루는 자신이 죽임으로써 이제는 에바에 탈 이유가 없다고 생각한다. 삶의 이유를 잃고 타인이 없으니 자신조차 잃고, 자신이 누구인지 묻는다.

신지는 자신이 어디에 있어야 하는지 여전히 모르겠다고 한다. TV 밖의 세상이 나오며 신지는 이 세상을 꿈이라 생각한다. 알람이 울리며 아스카가 깨우는데 아빠도 엄마도 소꿉친구도 있는 평범하고 화목한 가정으로서의 신지가 나온다. 아이들이 웃는 장면에서 갑자기 대본이 나오더니 대본에 써있는 대로 아이들이 웃는다.