本作首次将高达系列的舞台放到了名为“宇宙纪元”的世界中，在这个时空下，人类分为在地球土生土长的“自然人”以及被称为“调整者”的基因改造人类。故事剧情的主要矛盾冲突由自然人对调整者的能力的嫉妒和憎恶派生，进而产生仇恨，最终几乎所有调整者都移民到了外太空，在由他们自己设计名为P.L.A.N.T.的巨大轨道空间殖民地内，自号为“P.L.A.N.T.”并过着田园诗般的生活。但是地球和P.L.A.N.T.之间最终还是爆发了战争。
地球分为两个主要派系：“地球联合”由大多数自然人国家组成，主要是欧亚联邦和大西洋联邦，以及一个被称为“蓝色宇宙”的自然人至上主义团体，其口号是“为了保护我们的蓝色和纯净的世界”。“地球联合”不是一个统一的联盟，各民族国家之间存在着各种内斗和不信任；第二个主要的地球国家是欧普联合首长国，一个坚定的政治中立和孤立主义国家，位于由世袭君主制统治的小太平洋岛屿上，而且其公民中包含有部分调整者。
在故事开始前，发生了两件大事，其一是被称之为“血之情人节”的悲剧。事件中，隶属于P.L.A.N.T.的一个空间殖民地“尤尼乌斯7号”被地球联合的核弹摧毁；其二是P.L.A.N.T.发起了反击，将中子干扰器深埋在地壳中，使所有的核反应、远程雷达和无线电都被干扰而不能运作，进而导致地球大部分地区没有电力和通信，并使得机动兵器需要依赖可充电电池来驱动。
P.L.A.N.T.是一个技术强国，尽管人口非常少，但是开发了许多新技术使得能够与地球方面相匹敌。而对机动兵器的开发使得他们在战争开始时占尽优势。
故事开始于中立的欧普联合所拥有的太空殖民地赫立奥波利斯，秘密开发了5台先进的机动战士，用于投入地球联合的部队，以换取他们的技术数据与中立的欧普联合军队进行共享。此外，赫立奥波利斯还为地球联合军建造了一艘独特的航母战列舰——“大天使”号作为5台机动战士的母舰。该殖民地遭到调整者军队扎夫特部队的攻击，其目的是窃取新型的机动战士。在扎夫特军入侵期间，一名欧普联合的学生，同时也是调整者的基拉·大和在看到朋友处于危险之中时，驾驶GAT-X05“突击高达”以抵挡入侵者，但在随后的战斗中，殖民地遭到严重破坏。随着赫立奥波利斯的解体，幸存者们登上了“大天使”号，开始了他们前往阿拉斯加地球联合基地的旅程。在前往阿拉斯加的旅程中，基拉驾驶突击高达击退了一系列来自扎夫特军的袭击，但在与他童年好友阿斯兰·萨拉的一次战斗中，双方差一点都被对方击杀。基拉在袭击中幸存下来，并由一名盲人牧师带到一个P.L.A.N.T.太空殖民地，在调整者家中修养。在此期间，大天使号抵达了阿拉斯加，但是扎夫特军对那里发起了全面攻击，压倒性的击退了地球联合部队。
在地球联合即将溃败的时候，基拉驾驶ZGMF-X10A“自由高达”前往阿拉斯加，这是一台搭载有高度先进的核动力和反中子干扰器的扎夫特机动战士，由P.L.A.N.T.最高评议会主席西盖尔·克莱因的调整者女儿、P.L.A.N.T.流行歌星拉克丝·克莱因授意偷走。利用自由高达，基拉结束了扎夫特和地球联合两军之间的战斗，但阿拉斯加基地随后还是被摧毁了。大天使号最终逃亡了中立国欧普联合。最终大天使号和新造舰“草薙”号离开地球进入太空，之后他们与拉克丝·克莱因领导的P.L.A.N.T.反对派和他们窃取的扎夫特军新造战舰“永恒”号（原本用于支援扎夫特军造机动战士用）汇合，共同组成“三舰同盟”以结束自然人与调整者之间战争的共同目标。在冲突中，阿斯兰得知基拉幸存下来并依照命令追捕他以夺回自由高达，与此同时获得了同样强大的原型机动战士ZGMF-X09A“正义高达”。然而，在得知作为P.L.A.N.T.最高评议会激进派领导人的父亲帕特里克·萨拉计划实施种族灭绝之后，阿斯兰抛弃了他的父亲并加入了“三舰同盟”。在最终战斗中，地球联合部队部署了装备有中子干扰器对消技术的核武器，该技术是从自由高达和正义高达动力系统的被盗数据中复制而来的。地球联合部队打算用核武器摧毁P.L.A.N.T.太空殖民地，但被扎夫特的创世纪阻止，这是一种搭载有微波激光器的超级武器，旨在对自然界进行种族灭绝。在三舰同盟的干预下创世纪最终被击毁并结束了战斗。随着和平条约的签署，战争最终结束。
本剧设定在2000年9月13日，南极大陆上发生大爆炸，造成南极的冰川融化、地轴扭曲，随之而来的海平面上升、全球气候异常，加上后来引发的战争等因素，导致世界人口减半。随着接连不断的大规模战争结束，各国军队编入“国联”军队。此次侵袭人类的大灾难被称为第二次冲击，“国联”发表的大灾难原因是“大质量的陨石撞击南极”。实际上却是为了在其他使徒觉醒之前将第一使徒亚当还原成卵的结果，而秘密组织SEELE凭借其巨大影响力隐瞒了事实真相。
SEELE经由《死海文书》获悉了相关讯息，事先采取了一系列措施。使徒拥有强大的A.T.力场(绝对领域)，一般的武器无法消灭它，为阻止使徒毁灭人类而设立Gehirn开发泛用人型决战兵器——人造人Evangelion(简称：EVA)，并且建立起要塞都市——第3新东京市，也是Gehirn总部所在地。Gehirn之后改组为NERV，全力推行人类补完计划。
剧情
剧中的2015年，在被称为“第二次冲击”的全球大灾难过去十五年后，14岁的碇真嗣应其关系疏远的父亲碇源堂的要求来到了未来都市第3新东京市。其父正是特殊准军事组织NERV的司令。在抵达这个城市后，真嗣目击了作战部队对不明物体“使徒”的作战。死海古卷曾预言过使徒这种巨型怪物的觉醒，而NERV的巨型人形生物兵器EVA是唯一能阻止使徒毁灭人类的武器。为了驾驶这种人形兵器，驾驶员必须在EVA内部与其进行神经系统的同步。NERV成员葛城美里护送真嗣进入NERV复杂的地下都市，在那里真嗣的父亲迫使他驾驶EVA初号机对阵使徒。
没有受过训练的真嗣在战斗中很快就被打倒，进而使得初号机失控，并自行野蛮地消灭了使徒。经过住院治疗后，真嗣搬到美里住处并开始在第三新东京市的定居生活。在第二次战斗中真嗣在情绪激动下不顾命令摧毁了一个使徒，但之后被指责而产生负面情绪，并试图逃跑。
最终真嗣面对美里并决定继续担任驾驶员。与此同时，此前在实验中受损的EVA零号机已被修复，而真嗣试图与其驾驶员——神秘而冷漠的14岁女孩绫波丽交流。美里制定的一项名叫“屋岛作战”的作战计划成功的击败了另一个使徒，但驾驶EVA零号机的绫波在战斗中受伤，而真嗣也险些丧命。
NERV的首席科学家赤木律子告知真嗣，被称为第二次冲击的那场全球大灾难并不是像正式报告中提到的那样由流星撞击南极洲造成的，而是第一个出现在地球上的名叫亚当的使徒在南极引发的爆炸。在打倒海上出现的使徒后，EVA二号机的驾驶员——一个同样14岁的女孩惣流·明日香·兰格雷，也搬来同美里和真嗣住在一起。之后真嗣同明日香一起联手击败了一个会分身的使徒。
真嗣班上一个名叫铃原冬二的男孩被选作EVA三号机的驾驶员，但在他第一次进行同步测试时，三号机突然被使徒控制。在真嗣拒绝同被认定为使徒的三号机战斗后，他驾驶的初号机被切断操控，并由独立的模拟插入栓系统所取代，因而初号机野蛮地撕开了三号机并压碎了载有冬二的插入栓。真嗣在这次与被迫对冬二驾驶的三号机进行的作战中心受重伤，并暂时退出驾驶EVA，但为了消灭之后新出现的已经接连打倒明日香和丽的使徒而被迫回归。在接下来的战斗中，明日香因为被使徒进行了心理攻击，失去了自信心陷入了精神崩溃。丽为了救真嗣而启动零号机的自毁系统与使徒同归于尽。当美里和真嗣之后前往医院时，在那里发现还活着的丽，但其自称是“第三个丽”。美里迫使律子透露NERV的黑暗另一面，EVA墓地以及模拟插入栓系统是使用丽的克隆人来运行的。
明日香因意志消沉，精神彻底崩溃而昏迷，来自Seele的少年渚薰取代她成为贰号机的驾驶员。真嗣最初同薰成为好友，但之后发现他其实是最后的使徒。薰与真嗣战斗，并在见到封印在地底深处的莉莉斯之后发觉自己遭到人类欺骗，并且意识到如果人类要茁壮成长，他自己就必须死。他要求真嗣杀了他。而真嗣在犹豫过后最终杀死了薰。这一行为引发了人类的强制进化，被称为“人类补完计划”，所有人类的灵魂都将被合并成一个。在最后一集中，真嗣的灵魂在精神上扭转了他自身存在的理由，并达到一种顿悟，使他能够摧毁整部片中折磨着他的由消极态度和情感所组成的墙。在结尾，真嗣笑着感谢大家，而其他人也都为他鼓掌。
2040年代的虚构日本城市新滨市，经过第三次和第四次世界大战洗礼的近未来科技已可将人类除大脑外的所有身体器官用生化电子的义体代替，并将人类大脑改装成与具有互联网功能的电子脑。上层社会和有经济条件的中产阶级人类纷纷进行义体手术，加装先进的电子脑，并用性能更高的人造义肢替换原有的身体器官——赛博格（生化人）已然渐渐成为社会常态。
人类社会的全面义体化（电子化）虽然带来了巨大的便利，却也不可避免地催生出了一种新的犯罪方式——电子犯罪。电子化并互联网化的人类开始受到黑客攻击，暴露在大脑被入侵、记忆被篡改等危险之中。日本政府因此专门成立了首相直属的特别情报机构“公安九课”（也就是所谓的“攻壳机动队”），来应对这种新兴的犯罪。故事中女主角草薙素子自幼便全身义体化，装备有最先进的军用义体，并在电子设备中如鱼得水，是出色的黑客。2029年正式加入公安九课，并以她卓越的指挥能力获得了队员们的信赖，被亲切地称为“少佐”。
《攻壳机动队》系列因其赛博朋克并带有反乌托邦性质的世界观著名。作品中对于未来科技有着精密的设想、考据和描绘，很多出现在其中的概念如今已然成为了现实，《攻壳机动队》也因此获得了众多硬科幻爱好者们的赞赏，并对后世的许多科幻作品有着显著的影响。（具体细节请参考#总体评价）
就《攻壳机动队》的不同版本比较来说，士郎正宗原著的漫画以短篇单元剧为主，人物通常比较轻松幽默，剧情也并非异常复杂，但往往有探讨研究各种科技或社会问题的大段对白文字，因此在分类时属于青年漫画。押井守导演的著名动画电影则十分严肃，人物角色完全没有漫画中轻松的儿童个性，以探讨深刻的哲学话题为主，电影整体也营造出一种沉闷、昏暗并略悲观的氛围。神山健治导演的电视动画则大概介于两者之间，如要分类的话应该是含有大量政治剧情的科幻警察刑侦电视剧。