Shinji si risveglia in un letto d'ospedale, senza più alcun ricordo di quanto è avvenuto durante la lotta contro l'Angelo Sachiel svoltasi la sera precedente. Il padre Gendō, che continua a mantenere nei suoi confronti un gelido distacco, delega a Misato il compito di fargli da tutrice legale. La donna — che si rivela essere la direttrice del Reparto Operativo della Nerv — lo accoglie nel proprio appartamento, nella periferia di Neo Tokyo-3. La sera del suo arrivo, sdraiato nel letto della sua nuova stanza con le cuffiette alle orecchie, a Shinji torna di colpo alla mente tutto quello che è accaduto il giorno prima. L'Eva era stato rapidamente sconfitto dall'avversario e Shinji si trovava svenuto al suo interno quando questi ha iniziato all'improvviso a combattere autonomamente in modalità Berserk, annientando l'avversario.

Appena prima dell'arrivo di Shinji alla Nerv, durante uno degli esperimenti di prova per testare l'affidabilità degli Evangelion, l'Unità 00 va improvvisamente fuori controllo, causando la totale distruzione della sala del test. Una volta disattivata, Gendō accorre subito in aiuto di Rei, rimasta priva di sensi all'interno dell'Entry Plug e nell'operazione si ustiona le mani e perde gli occhiali, che gli cadono a terra. Shinji, ventidue giorni dopo l'incidente, è incuriosito da Rei e dal rapporto che ha con suo padre Gendō. La dottoressa Ritsuko Akagi gli offre l'occasione di andare a trovarla per consegnarle il nuovo tesserino di riconoscimento che permette l'ingresso al quartier generale della Nerv. Una volta arrivato nel condominio della ragazza, Shinji suona alla porta, ma nessuno viene ad aprirgli. Scorgendo la porta aperta, decide di entrare e, quando nota lo stato di degrado in cui vive Rei, inizia a ripulire la stanza. Nel momento in cui si prova indosso il paio di occhiali che sono sulla scrivania però, Rei esce dalla doccia e gli strappa con decisione le lenti dal volto. Il giovane imbarazzato finisce per franarle addosso. In seguito ad un test di attivazione, viene avvistato un nuovo Angelo, Ramiel. Shinji tenta di bloccarlo a bordo dell'Eva 01, ma l'avversario lo colpisce con un potente raggio energetico.

Misato porta con sé Shinji e i suoi amici Tōji e Kensuke a bordo della nave ammiraglia che sta trasportando l'Unità 02 verso il Giappone. Il pilota dell'Eva è Asuka Sōryū Langley, ragazza di origini tedesche e dal carattere fiero. A scortare Asuka sulla nave c'è Ryōji Kaji, vecchia fiamma di Misato. Mentre la nave si trova ancora in viaggio nel mezzo dell'oceano, un Angelo acquatico, Gaghiel, attacca la flotta. Asuka d'impulso prende i comandi dell'Eva e parte all'attacco, coinvolgendo anche Shinji, che si ritrova assieme a lei all'interno della cabina di guida. L'Angelo però riesce a trascinarli sott'acqua, dove il mecha della ragazza risulta essere di molto limitato nelle azioni. Misato escogita allora un piano consistente nel lanciare due delle maggiori navi da guerra della flotta direttamente dentro la bocca del nemico per poi fare fuoco con i cannoni e colpirlo direttamente dall'interno. Distrutto il mostro, si scopre che durante l'azione i due coetanei hanno raggiunto un livello record di sincronizzazione reciproca. Arrivati in Giappone Ryōji consegna a Gendō l'embrione di Adam e Asuka si trasferisce nella classe di Shinji.

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.

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.

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.

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.