Plusieurs mois ont passé depuis les événements de New-York. Phil Coulson, qui a survécu à son attaque par Loki, reprend du service sous la supervision de Maria Hill. Une équipe est constituée pour appréhender un homme montrant des capacités surhumaines. Skye, une hackeuse faisant partie d'un collectif secret voulant révéler les secrets du SHIELD, est également intéressée par l'individu.

L'équipe de Coulson part pour le Pérou, où un artefact classifié 0-8-4 (d'origine inconnue et aux capacités à déterminer) a été détecté. Sur place, des groupes armés se montrent également intéressés par la puissance de l'objet, visiblement une arme dévastatrice.

Le SHIELD transporte en secret le scientifique Franklin Hall quand le convoi est attaqué par un ennemi mystérieux et le physicien enlevé. L'équipe de Coulson retrouve le commanditaire, le milliardaire Ian Quinn, exilé à Malte. L'équipe ne veut pas risquer l'incident diplomatique et envoie donc Skye sur le terrain.

Des diamants ont été volés par un agent de terrain surentraîné à travers le monde. Coulson croit reconnaître le travail d'une ancienne protégée et veut se charger personnellement de l'affaire.

Un magicien de rue pyrotechnicien et surveillé par le SHIELD est enlevé. L'équipe de Coulson découvre que l'agence a de nouveau été infiltrée par une légende du piratage informatique, qui se trouve être une vieille connaissance de Skye. Elle va devoir regagner leur confiance en les aidant à retrouver le magicien.

Deux pompiers sont retrouvés morts, leur corps en lévitation, après une surcharge électromagnétique dans les environs. L'agent Simmons comprend qu'il s'agit d'un virus chitauri mais elle est aussi condamnée. L'équipe de Coulson doit faire au plus vite pour empêcher que le SHIELD ne prenne des mesures pour limiter l'infection.

L'équipe de Coulson se rend dans l'un des quartiers du SHIELD pour préparer une opération de terrain : Ward devra couvrir Fitz lors d'une mission visant à neutraliser une arme en Ossétie du Sud. Skye découvre à quel point le SHIELD tient à garder le contrôle en gardant secrètes des informations cruciales.

Alors que l'équipe de Coulson est affairée à réparer les dégâts de l'attaque de Malekith sur Londres, elle est appelée en Norvège où un artefact asgardien a été retrouvé. Coulson part donc en Espagne retrouver un spécialiste des légendes nordiques.

En Utah, une femme est accusée d'avoir provoqué la destruction d'un accélérateur de particules en utilisant des pouvoirs télékinétiques. L'équipe de Coulson se rend sur place et prend en charge la scientifique qui est convaincue d'être possédée. Coulson insiste pour que May s'occupe de la détenue, ce qui surprend Skye.

Un scientifique s'évade de prison suite à l'intervention de trois soldats sous sérum Centipède. Coulson demande à Mike Peterson d'intégrer son équipe afin de pouvoir contrer la force des soldats dopés. May craint que les sentiments personnels des uns et des autres affectent l'esprit de l'équipe sur le terrain.

Coulson a disparu depuis 36 heures et son équipe cherche par tous les moyens à retrouver Centipède. L'agent Hand n'ayant pas confiance en Skye, elle la fait évacuer l'avion, mais ses co-équipiers comptent sur elle pour agir de l'extérieur et retrouver Coulson, interrogé et torturé par les hommes du Clairvoyant.

Un appareil générateur de glace a été découvert dans l'académie du SHIELD formant les scientifiques de l'agence. L'équipe de Coulson est dépêchée sur place, ce qui permet à Fitz-Simmons de revenir sur leurs années passées. Coulson et May partent pour Mexico retrouver le dernier agent du SHIELD en fuite connaissant la vérité sur les origines de Skye.

Lors d'une opération en Italie visant à retrouver Ian Quinn qui doit livrer un objet spécial dans un train, l'équipe de Coulson est trahie et se retrouve séparée alors que le train disparaît.

Skye est entre la vie et la mort. Coulson ne voit qu'un espoir : le traitement qu'il a subi pour être ramené à la vie. Pour infiltrer les locaux les plus secrets du SHIELD, il reçoit l'aide de l'agent Garrett, un vieil ami venu prendre en charge Ian Quinn.

Alors que Skye se remet et que Coulson est préoccupé par ce qu'il a découvert sur TAHITI, l'équipe est envoyée prêter main forte à Sif, la guerrière asgardienne à la poursuite d'une magicienne dangereuse et manipulatrice, Lorelei.

L'agent Coulson appelle du renfort au SHIELD pour démasquer le Clairvoyant parmi les noms d'une liste montée par Skye après étude d'agents rejetés par l'agence. Mais l'ennemi est encore prévoyant et renforce Deathlok, qui devient encore plus dangereux.

Le SHIELD est en crise interne et la confiance ne règne plus dans les rangs. L'agent Hand vise Coulson, suspecté d'être un agent dormant à la solde du plus vieil ennemi de l'agence, mais son équipe refuse de le croire.

Avec le SHIELD détruit aux yeux du monde, les agents utilisent leurs stratégies de repli avant que l'armée américaine ne vienne prendre le contrôle. Alors que Coulson décide de tout abandonner pour suivre un signal qui le mènerait vers Fury, Garrett continue de s'emparer des secrets du SHIELD.

Ward rejoint son équipe et leur apprend que tous les détenus du SHIELD se sont évadés grâce à l'HYDRA. Coulson part donc traquer l'un des plus dangereux évadés, Marcus Daniels, avec qui il a une histoire très personnelle. Ward a ainsi les mains libres pour accomplir sa véritable mission.

Coulson découvre que Ward est de l'HYDRA et qu'il a enlevé Skye pour décrypter les données récupérées par l'équipe. Alors qu'il prévoit un plan d'attaque, le colonel Talbot arrive avec Maria Hill dans la base.

Coulson décide d'infiltrer les locaux de Cybertek afin d'obtenir des informations sur le projet Deathlok et de pouvoir traquer Garrett et Ward. Il va découvrir alors le secret de l'agent, et une partie des liens unissant les deux hommes de l'HYDRA.

L'effet du sérum rend Garrett fou et mégalomane, ce qui fait douter Ward de ses objectifs. Alors qu'ils s'apprêtent à vendre le projet Deathlok et construire une armée de super-soldats, les survivants de l'équipe de Coulson préparent l'offensive. Fitz et Simmons vont recevoir une aide inespérée : le retour de Nick Fury.