西元2015年，一個巨大的人型生物在日本登陸。出動的國聯軍，將那生物稱作“使徒”，並予以猛烈地攻擊，但就連最新的兵器“N2地雷”，亦只是在短時間內減緩了使徒的步伐。與此同時，一個名為碇真嗣的少年被其父源堂呼喚至第三新東京市地下的NERV本部。碇真嗣和身為NERV司令官的父親碇源堂有十年的時間都不在一起，面對許久不見的兒子，碇司令官所說的只是：“坐上EVA。”消極的少年拒絕接受命令，但當他見到一位身負重傷的少女即將乘坐初號機出擊時，他改變了自己的決定。

在沒有受過特殊訓練的情況下，真嗣就和EVA 達成同步和使徒作戰。射出後與第三使徒對峙的初號機，因為真嗣不熟悉操作，也無實戰經驗，在遭到使徒的攻擊後活動停止。但在真嗣昏迷後初號機奇跡般地再啟動，在失控的狀態下，用壓倒的戰力將使徒擊潰。面對冷漠的父子態度，美里提出要真嗣與她同住的要求。14歲的自我封閉少年與29歲的單身美女的共同生活就此開始。美里對真嗣作戰的成績表示讚賞，但真嗣希望這話是出自另一人之口。

為了防範使徒再來，真嗣進行著EVA的操作訓練，同時也轉學到第三新東京市的學校就讀。在上課時，老師講到第二次浩劫的歷史事件。可是同學們都不專心，在台下偷偷的玩用電腦網路聊天。真嗣被套出他是EVA 駕駛員，在班上立刻成為受歡迎的人。但同班的鈴原東治卻對他大打出手，這是因為他的妹妹在EVA 與使徒的戰鬥中受牽連而受傷。不一會，第四使徒來襲，真嗣將從避難所裡出來觀望的東治與劍介救入駕駛艙，並無視美里的撤退命令，用高振動粒子刀擊退了使徒。

與第四使徒戰鬥勝利之後，真嗣並未意識到他戰鬥的意義，他離開家後，在第三新東京市的郊外，與相遇的劍介待了一夜，第二日被NERV的保安諜報部帶回。放棄 EVA駕駛工作之後，他將被護送回原住處。聽畢劍介對真嗣心理的見解，美里急忙趕往車站去送行，列車已緩緩駛離車站，但月臺上仍有一位少年的身影。

繃帶少女綾波零是EVA零號機的專屬駕駛員。她在真嗣調來第三新東京市的三周前的零號機啟動實驗中，因事故受傷。在學校，她無口、無心、無表情的性格使得沒有人願意與她交往。但真嗣卻見到她微笑著與自己父親源堂交談，於是對零產生了興趣。同時，第五使徒襲來，剛被射出的初號機就遭到了高熱加粒子炮的攻擊。

由第二次浩劫引發的世界經濟的混亂與崩潰，至2015年亦無法完全恢復。此時的日本經濟。由於水位上漲，平原被淹沒，工業生產的確是遭到了致命的打擊。然而，國土復興的工程所消耗的物資，簡直就是天文數字，所以日本政府與民間企業，一直將吞食了大量資產的對使徒軍事企業視為大敵，故始終都在尋找可替代NERV的廉價企業……

從德國的NERV第三支部，送來了EVA二號機。在擔負護送任務的太平洋艦隊，美里與真嗣一行初次面對第二適格者明日香，此外美里以往的戀人加持良治也同乘返回日本。途中，艦隊遭到水中的第六使徒的攻擊，明日香將真嗣拉入二號機駕駛艙後一同出擊，但裝配著無法進行水下攻擊的B型裝甲的二號機，很快就被使徒吞入口中。美里提出零距離射擊計畫，眾人擺脫困境並將使徒殲滅……

剛到班上不久的明日香，成為了最受歡迎的人物。不過明日香對中學生沒興趣的樣子，情書都被狠狠地踩一腳（便鞋上還要寫名字？）。零實在是對周遭的事陌不關心，明日香擋到她的光線，她竟只有移開一點，頭都不抬一下，明日香以挑釁的語氣跟零說：“好好相處吧。”零竟然回答：“為什麼？”，“有命令我就會去做。” 在紀伊半島海灣出現了持有分離合體功能的第七使徒，配合不協調的明日香與真嗣，立即遭到戲劇般的攻擊……

在淺見火山熔岩中發現了第八使徒的幼體。由明日香來執行首次使徒捕獲作戰。二號機裝備了耐熱耐壓的D型裝備後潛入熔岩一千米以下成功地捕捉了使徒的幼體，但在上升過程中，幼體開始急速乳孵化，作戰計畫不得不有捕捉更改為殲滅。在熔岩中苦戰的明日香受到真嗣提出有關“熱膨脹”原理的問題的啟發，利用冷卻液成功地消滅了使徒。

在一次實驗中，NERV本部的電力供應忽然中斷，僅有的後備電力被用於維持MAGI系統。正當NERV處於一片混亂時，第九使徒由海岸登陸。與第三新東京市內的真嗣、零與明日香，聽到國聯的警報後，努力尋找可到NERV的通道。同時，源堂他們用自己的手為EVA的發射做好了準備。三機發射後，聯合作戰成功地擊毀使徒。

美里被晉升為三佐，劍介他們特意搞了聚會慶祝。這時，在衛星軌道上出現了迄今為之最大的一個使徒，它的本體，在探測到NERV的位置後照準加速墜落下來。在源堂不在的情況下，美里制訂了用EVA三機共同利用A•T•FIELD抵擋的計畫並取得成功。為此，源堂從南極發回了賀電，真嗣也因此找到了“ 乘坐EVA戰鬥的理由”。好不容易打贏了第九使徒，美里本來說要帶三個小孩吃大餐，可惜天性懶散的她沒錢了，最後被拖去吃路邊攤拉麵……

NERV本部在進行模擬體測試實驗時，於蛋白壁上發現異常，經MAGI判明為細菌規格的第十一使徒。該使徒能夠急速分裂、增殖，控制模擬體後開始侵蝕MAGI系統，並提速NERV自爆。對此，律子進入MAGI尚未被侵蝕的CASPER•3，依靠她母親的殘存記憶為使徒寫入了自滅促進程式，之後，使徒殲滅。

人類補完委員會召開了特別召集會議，對NERV的成績作總結。對於使徒侵入一事，碇源堂予以否認。與此同時，機體互換實驗正在進行中。零可順利乘坐初號機，但真嗣卻受到了來自零號機的精神污染。又一次陷入暴走狀態的零號機，拼命地攻擊觀察室的窗戶。這樣的情形，在美里的心裡引起了不少的疑問，但律子卻對於暴走的原因予以保留。

在京都的廢屋裡與一個奇怪的女性交談後，加持良治依舊執行他對NERV的偵探工作。第二日，真嗣與源堂一起來到唯的墓前，明日香則去應付約會。晚上，美里、律子與加持一同參加了友人的結婚宴會，在回來的途中，美里向加持吐露了自己的心聲。翌日，在進行間諜工作的加持被美里發覺，於是，加持將她帶到了被NERV隱藏的莉莉斯面前。

在EVA的同步測試中，真嗣超越了明日香。因此，他信心百倍地去迎擊出現的第十二使徒，結果被使徒的虛像所迷惑，落入了使徒本體的虛數空間。由於無法脫離，真嗣將生命維持系統打開，等待救援。十六小時後，生命維持到達限界，在模糊的意識中，真嗣似乎看到了母親。另一方，律子打算犧牲真嗣來回收初號機，但使徒忽然被初號機撕裂開來。

EVA四號機的S2機關搭載實驗在美國進行。結果美國的NERV第二支部與其半徑89公里以內的設施從此消失。為此，剩下的三號機的啟動實驗，轉至日本的松代進行，而且駕駛員將由新挑選的第四適格者來擔任。只是那個青年的名字，令美里擔心。後日上課時，鈴原東治被傳喚至校長室，回來之後，他似乎變成了另一個人。

三號機運到後，美里也前往松代指揮啟動實驗，但她沒能告訴真嗣有關東治的事。實驗中，三號機失控，原因是被第十三使徒寄生。EVA三機出動攔截使徒，零號與二號機相繼被擊敗。真嗣得知三號機內有駕駛員後拒絕執行任務。於是源堂命令打開初號機的類比作戰系統，將三號機撕成了碎片……

震怒的真嗣叫喊著要破壞NERV本部，源堂立即調高了LCL的濃度使真嗣窒息，這才收回初號機。被逮捕後的真嗣決意再也不乘坐EVA了。不久，第十四使徒襲來，二號機被破壞，零號機的特攻亦無效。在避難中，真嗣在花園中遇到了加持。在加持的引導下，真嗣再次坐上初號機，對已侵犯至發令所的使徒發起了猛攻，但在幾欲勝利的瞬間，內部能源耗盡……

同頻率400%的真相，是真嗣的肉體與初號機融合的結果。經調查，真嗣已溶解於LCL之中。於是，律子忙著佈置營救真嗣的計畫，但似乎在十年前就已有過類似的營救計畫失敗。經過了一個月的時間，駕駛艙被打開，流得滿地的LCL中，只有真嗣的作戰服。而正當美里抱著真嗣的衣服痛苦萬分時，真嗣的身體又復原了。兩天后，加持與美里在旅館中密會，加持將裝有“最後的禮物”的膠囊，交給了美里。

SEELE綁架了冬月，力圖從他那兒瞭解NERV的真實情況。面對質問，冬月回憶起許多往事……1999年任大學講師時初次見到碇源堂、2000年的“第二次衝擊”、人口進化研究所、以前的學生、後成為源堂妻子的碇唯之死、赤木尚子博士的死亡與NERV的誕生……不久，冬月被加持救出，但加持……

天才少女明日香，從小就背負著有一個自殺的、精神失常的母親的命運。隨著近來明日香的同步值不斷下降，她擔心自己被強迫調離EVA駕駛崗位的日子也會隨即而來。於是，第十五使徒出現時，她便不顧命令主動出去迎擊使徒。但在受到使徒的精神攻擊後，她的精神幾欲崩潰，無法作戰。最後，由零駕駛零號機使用朗基努斯之槍將位於衛星軌道上的使徒擊潰……

只要接觸到，就連精神也會被其侵蝕的第十六使徒，將綾波零的零號機捕獲，而明日香因為同步值低下而無法操作二號機。於是，源堂啟動凍結中的初號機去為零解圍。但是，零為了保護真嗣，開啟了自爆程式與使徒同歸於盡。而當真嗣正為此痛苦的時候，零又出現在他面前…… 　 當夜，因被源堂出賣、意志消沉的律子，將真嗣與美里帶到了製造零的器械面前……

第三新東京市，在多次經受使徒侵襲之後，到處是戰鬥遺留下來的廢墟。在夕陽西沉的湖邊，真嗣遇見了一位少年，他就是由SEELE送來的第五適格者——渚薰。經過心靈的溝通，真嗣對這位少年產生了好感，但渚薰的真實面目卻是第十七使徒。他帶領著二號機，來到NERV地下的亞當處。但在追來的真嗣面前，他卻要求真嗣將他殺死……

第十七使徒被消滅後，NERV的工作似乎已經結束，各個部門的職員們正在祥和的氣氛中談論以後的去向。這時，NERV本部突然遭到了戰略自衛隊的襲擊。原來戰略自衛隊得到消息稱NERV企圖引發“第三次浩劫”，於是他們標榜著“保護全人類”的口號對NERV的工作人員進行了慘無人道的大屠殺。 殺死了渚薰以後，碇真嗣無法再振作起來，整天沉浸在痛苦的思考中，無心去應付戰略自衛隊以及來自人類補完委員會的EVA量產機的攻擊……

為了與碇唯再會而被製造出來的綾波零，在與碇源堂約定之時，來到了NERV底層中央教條的紅色水池邊。無論是作為容納碇唯靈魂的容器或是“人類補完計畫”的道具，她的命運也會就此結束（再生？），而已感到自我靈魂存在的零的抉擇是…… 在戰自的攻擊之下，葛城美里不但要完成加持良治未完成的對“第二次浩劫”真相以及“人類補完計畫”的探查工作，還要保護真嗣與明日香以及防備Seele對初號機與二號機的物理接觸，她的忙碌直至被戰略自衛隊的流彈擊中為止……