该片讲述秋季之后的故事，从原作漫画第7集的剧情接续下去。除了小野寺小咲的妹妹小野寺春、小野寺春的好友小风和从美国飞来的宝拉·马可伊之外，其他还有千棘的母亲桐崎华等个性鲜明的新人物也将陆续登场。
八坂一（三瓶由布子 配音）是一位热爱科学的平凡少年，他坚信世界上的一切都可以用科学解释。然而，某一日，八坂一邂逅了名为岚山小夜子（白石凉子 配音）的神秘少女，她的出现以及随后而来的不思议事件颠覆了八坂一的全部世界观。 两人的相遇令他们获得了穿越回过去的特殊能力，与此同时，女扮男装的上贺茂润（小见川千明 配音）、同样拥有穿越时空的能力的德国少女可雅（名冢佳织 配音）、一直追随着小夜子的墨镜男村田英雄（安元洋贵 配音）、痴情而又倔强的山崎加奈子（堀江由衣 配音）以及身世神秘的少女伏见弥生（野中蓝 配音），这些角色接二连三的出现在八坂一的身边。
故事发生在一所名叫第3新东京世立NERV学园中，校长是严肃又寡言的碇原度（立木文彦 配音）。作为校长的儿子，碇真嗣（绪方惠美 配音）感到压力很大。于此同时，来自外国的红发转学生明日香（宫村优子 配音），分裂成三个、以姐妹的形式出场的凌波丽（林原惠美 配音）都给碇真嗣的学校生活带来了翻天覆地的变化。此外，在原作中高大帅气的初号机，也将以娇小可爱的形象，作为学院的一份子出现在动画中。 动画以《新世界福音战士》中的角色为原型，一改原作沉重严肃的气氛，描述了轻松愉快的校园生活。制作方首次采用了3D的Q版造型，配以实景背景和2D拼接，造就了多元化的绘画风格。
