Tokio 3 es atacada por seres gigantescos a los que NERV, la organización perteneciente a la ONU que se encarga de combatirlos, llama ángeles. NERV usa para ellos unos gigantescos mechas llamados Evas, los cuales solo pueden ser pilotados por alguna razón por adolescentes de 14 años. Gendo Ikari, comandante de NERV, hace venir a su hijo de 14 años Shinji, al que hace tiempo que no veía, para que pilote un Eva. En ese momento se produce el ataque de un ángel. Como Shinji se niega al principio el comandante Ikari hace que traigan a Rei para pilotar al Eva, quien está malherida. Al ver el estado de Rei, Shinji se siente obligado a acceder a pilotar el Eva y pelear contra el ángel. Durante esta pelea Shinji acaba inconsciente y se despierta en una cama de hospital.
Hace 15 años, un ángel encontrado en la Antártida causó el segundo impacto mientras era estudiado. Esto causó que todo el hielo de la Antártida se derritiera, aumentando el nivel del mar e inundando ciudades. Los ángeles atacarán la sede de NERV atraídos por algo y, si logran hacer contacto con ese algo, causarán el tercer impacto, lo que conllevará a la extinción de la humanidad.
Shinji dista de ser el típico héroe valeroso. Teme morir cada vez que se sube al Eva para luchar contra ángeles y más de una vez huirá de su deber de pilotar el EVA. Como teme que las otras personas le hagan daño, intenta no acercarse demasiado a ellas y se disculpa constantemente para evitar confrontamientos, siendo un claro ejemplo del dilema del erizo de Schopenhauer. Rei, la otra piloto, se muestra inexpresiva y no se relaciona con nadie. Desde Alemania vendrá Asuka, otra piloto de Eva. Ella está obsesionada en demostrar su habilidad para pilotar el EVA, incluso llega a creer que es lo único que le da valor como persona.
Para controlar el Eva, su piloto tiene que sincronizarse con él. Podrá mover el cuerpo del Eva como si fuese su propio cuerpo pero también sentirá dolor cuando el Eva sufra daños. Los ángeles usan un campo de Terror Absoluto, un campo de fuerza que los protegen de los ataques, por lo que el armamento convencional no puede dañarlos. Solo un Eva puede atravesar el campo de Terror Absoluto para derrotar al ángel.
El comandante Ikari tiene un plan secreto más allá de combatir contra ángeles que involucra a los Evas y que oculta al consejo de SEELE, que está por encima de él en la cadena de mando. El consejo de SEELE intentará espiar al comandante Ikari y a NERV para descubrir sus planes.
Por la inclusión de ciertas escenas en la serie, ésta perdió patrocinadores. Por limitaciones del presupuesto la serie en algunas ocasiones sostiene una imagen estática por algunos segundos, haciendo de esto uno de sus más característicos recursos artísticos. Los capítulos 25 y 26 se tuvieron que hacer con nada de presupuesto, llegando incluso a utilizar bocetos en el capítulo 26.
Hideaki Anno, quien dirigió Neon Genesis Evangelion con la asistencia de Kazuya Tsurumaki, sufrió de depresión mientras hizo la serie, lo que le llevó a tratar este tema con personajes como Shinji y, que, a medida que avanza la series, esta se va haciendo cada vez más introspectiva, centrándose los episodios 25 y 26 en la introspección en la mente de Shinji y en tratar las relaciones sociales y su naturaleza.
