Misato è preoccupata perché Shinji non è ancora riuscito a legare con i suoi nuovi compagni di classe, sebbene siano già trascorse più di due settimane da quando ha iniziato a frequentare la prima scuola media comunale di Neo Tokyo-3. Un ragazzo di nome Tōji Suzuhara, appena venuto a sapere che è stato Shinji a pilotare l'Unità 01 nell'ultimo combattimento in cui sua sorella è stata ferita, gli si presenta davanti durante la ricreazione e gli sferra due pugni. Subito dopo viene data la notizia dell'imminente attacco di un nuovo Angelo, Shamshel. Shinji e Rei si dirigono alla Nerv per combatterlo. Intanto, Kensuke Aida convince Tōji ad uscire fuori dal bunker anti-Angelo per cercare di filmare la lotta, ma i due vengono coinvolti nello scontro e prontamente salvati da Shinji, che li fa salire a bordo dell'Evangelion. Qui assistono allo stress psicologico che procura la guida del mecha, mentre il loro compagno riesce ad infliggere un colpo mortale al nemico per poi scoppiare in lacrime.

L'Angelo Ramiel inizia a trivellare il suolo di Neo Tokyo-3 nel tentativo di penetrarne gli strati protettivi ed arrivare al Geofront, la cavitá sotterranea che fa da quartier generale alla Nerv. Per superare il campo protettivo dell'invasore viene allora ideata da Misato una strategia chiamata "Operazione Yashima", in cui l'Unità 01 dovrà cercare di colpire il nemico utilizzando un prototipo avanzato di fucile a positroni appena messo a punto dall'esercito, mentre l'Unità 00 lo schermerà da eventuali contrattacchi di Ramiel. Per far funzionare l'arma è necessaria l'intera produzione elettrica del Giappone, ma anche così Shinji manca il bersaglio al primo colpo e, in attesa di ricaricare, Rei, a bordo dell'Eva, gli si para davanti per proteggerlo dal raggio scagliato dal nemico. Il secondo colpo riesce a centrare Ramiel e ad annientarlo definitivamente.

Asuka va a vivere nell'appartamento di Misato e Shinji. Mentre si abitua alla sua nuova vita in Giappone l'Angelo Israfel attacca. Dopo essere stato tagliato a metà e apparentemente battuto, il nemico si divide in due copie identiche che sconfiggono le Unità 01 e 02. L'ONU tenta il tutto per tutto sganciando una bomba N² sul doppio nemico, disabilitandolo temporaneamente e dando alla Nerv sei giorni di tempo per trovare un modo per sconfiggerlo. Si arriva alla conclusione che le due copie debbano essere distrutte in contemporanea, quindi Misato sottopone Shinji e Asuka ad un duro regime di allenamento per sincronizzare le loro azioni e fare in modo che siano capaci di portare un doppio attacco coordinato ad Israfel, impostato su un tempo ritmico che ricorda quello della danza classica. Shinji e Asuka non accettano però di buon grado il fatto di dover forzatamente stare a così stretto contatto e l'allenamento viene reputato un fallimento. Tuttavia al momento di combattere l'Angelo i due sono in grado di eseguire i movimenti studiati in modo impeccabile e distruggono i nemici.

La classe di Shinji è in fermento per l'imminente viaggio scolastico a Okinawa, ma Asuka rimane molto seccata dal fatto di non poter lasciar Neo Tokyo-3, in quanto — come piloti di Evangelion — lei e gli altri children devono stare allerta in caso di attacchi da parte degli Angeli. Sandalphon viene scoperto, in fase ancora embrionale, all'interno di un vulcano attivo, dove ha nidificato nelle profondità del magma. Nella speranza di poterlo studiare prima del risveglio ed ottenere così una maggiore comprensione nei riguardi degli Angeli, Asuka viene inviata per catturarlo. L'Unità 02 viene quindi sganciata dentro il vulcano, protetta da una speciale tuta di refrigerazione e armata d'una gabbia metallica. Tuttavia l'Angelo si risveglia in anticipo rispetto alle previsioni costringendo Asuka a combatterlo. Mentre si trova in gravi difficoltà, Shinji accorre in suo aiuto, dando un prezioso supporto alla ragazza e salvandole la vita all'ultimo momento.

L'intera rete elettrica di Neo Tokyo-3 salta improvvisamente, costringendo Misato e Ryōji a rimanere bloccati all'interno di un ascensore mentre i tre children dall'esterno non riescono più ad entrare nella base. Il personale della Nerv, sotto la guida di Ritsuko, cerca una soluzione, quando appare Matarael; l'Angelo inizia a farsi strada verso il centro del Geofront utilizzando un acido corrosivo. Shinji, Rei e Asuka tentano di ritornare al Central Dogma attraverso i condotti d'areazione, in un labirinto di corridoi e condutture cieche. Gendō intanto dà l'ordine di attivare gli Eva coi comandi manuali, fiducioso che i piloti sarebbero riusciti ad arrivare in tempo, e infatti, appena giunti, i ragazzi salgono a bordo dei mecha e partono per la battaglia. Mentre Rei recupera il fucile sfuggito di mano all'Unità 01, Asuka difende col proprio Eva Shinji dall'acido corrosivo di Matariel, permettendo al compagno di fare fuoco ed annientare così il nemico.

Sahaquiel è il nuovo imponente Angelo che appare in cielo lungo l'orbita terrestre. Il lancio di diverse bombe N² non risulta aver alcun effetto apprezzabile, mentre il nemico attacca il pianeta facendo cadere piccoli pezzi di se stesso sulla sua superficie, calibrando la mira in direzione della città di Neo Tokyo-3 e della base sotterranea della Nerv. Tutti e tre gli Evangelion si dispiegano in difesa della città, per incercettare l'Angelo prima che la colpisca, come sembra voler fare, con un attacco kamikaze. Proiettando all'unisono i loro tre AT Field in direzione dell'avversario riescono, dopo un notevole sforzo, a fermarlo ed infine a distruggerlo.

L'Unità 03, trasportata dagli Stati Uniti verso il Giappone per via aerea, viene infettata durante il volo da un Angelo microscopico che opera come batterio. Durante il test di sincronizzazione col pilota, l'Eva impazzisce e l'Angelo Bardiel ne assume il diretto controllo. Possedendo la potenza angelica e la forma di un Evangelion, l'Unità 03 distrugge tutto quel che le si para davanti ed avanza velocemente in direzione di Neo Tokyo-3. Tutti e tre gli Evangelion scendono in campo per affrontarlo ma, sia l'Unità 02 che l'Unità 00 vengono presto sconfitte. Pur senza sapere che intrappolato nell'Eva nemico c'è Tōji, Shinji si rifiuta d'attaccare senza prima aver provato a salvare il pilota. Gendō allora dà l'ordine di escludere il ragazzo dai controlli del mecha e di installare il pilota automatico grazie all'uso del Dummy Plug. L'Eva 01 attacca selvaggiamente Bardiel, facendolo a brandelli e frantumandone l'Entry Plug. Dopo la battaglia, il già emotivamente devastato Shinji rimane ancora più inorridito quando vede Tōji, gravemente ferito, uscire dalle macerie dell'Unità 03.

Shinji, sconvolto dall'aver assistito al massacro dell'amico e alla conseguente indifferenza del padre Gendō, abbandona la Nerv per la seconda volta. Tuttavia mentre è in procinto di lasciare Neo Tokyo-3, appare l'Angelo Zeruel che sconfigge facilmente gli altri Evangelion. Dopo aver parlato con Kaji, Shinji torna al quartier generale in tempo per impedire l'invasione del nemico, e lo affronta a bordo dell'Unità 01. L'Angelo riesce a sopraffare il mecha e ad attaccare il nucleo dell'Eva mentre Shinji, impotente, supplica alla macchina di riavviarsi nonostante abbia esaurito la carica delle batterie. Inspiegabilmente l'Unità 01 va in modalità "berserk" e sconfigge l'Angelo. L'Evangelion poi dilania il corpo dell'avversario e se ne ciba, ingerendo l'Elemento S² dell'Angelo.

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.

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.