１９４５年のオーストリア。のちにヒドラの北米指導者ホワイトホールとなるラインハルト中将は「オベリスク」とその他の品々を運び出そうしていた。だがそこにエージェント・カーター率いるＳＳＲが現れ、すべて押収する。

コールソンはオベリスクを持って逃走したクリールを泳がせ、背後に誰がいるのか探ることに決める。スカイはオベリスクから文字が浮かび上がったことをコールソンに報告。コールソンはクインジェットを奪ったスカイとトリプレットをねぎらうが、スカイの報告に対しては反応が薄い。スカイはコールソンのよそよそしさに、長官としての立場以上の何かがあると感じる。

フィッツとのコンビを解消したシモンズは、ヒドラのラボに潜入して働いていた。そこで分析させられていた細胞が、アカデミー出身のドニー・ギルのものだと知る。アイスマシンに触れたまま雷に打たれたドニーは、触れるものを凍らせるという能力を身につけていたが、ヒドラに利用されることを拒んで逃亡を続けていたが、モロッコに現れたことをヒドラとシールド両方に知られる。

火災で焼け残った５００年前の絵画の裏にギャレットが取り憑かれたように刻んだのと同じ記号が見つかる。コールソンとメイは絵画を盗み出すべく教会再建のチャリティパーティーに潜入する。スカイは記号についての調査を命じられているが、詳しいことは知らされず不満を抱く。コールソンは今回の潜入中に、自分がギャレットのようになった時の対処についてメイと話し合うつもりだった。

海軍将校の結婚披露宴でシャンパンを飲んだ者が８名死亡する。その症状はオベリスクによるものと似ていた。コールソンたちはヒドラの仕業と確信するが、海軍が部外者をシャットアウトして対応しており、現場を調べることができない。

タルボットが国連本部で演説しているところに、ヒドラのスカ-ロッティ率いる武装集団がシールドを名乗って急襲する。謎の武器によって６名が死亡、負傷者は数十名に登った。ホワイトホールがシールドに新たな汚名を着せ世界中を敵に回そうとしていることを悟ったコールソンは、そのもくろみを阻止すべく動き出す。

メイ、トリプレット、ハンター、モースの４人は逃亡したウォードを追跡するが、巧みにかわされなかなか取り押さえることができない。 留守番するスカイはコールソンの衝動が悪化していることを知って心配する。そんな時にニューヨークで起きた殺人事件の被害者の体に異星人の記号が刻まれていたことがわかる。

異星人の記号が街の設計図だとわかり、その街を探すためにコールソンはスカイ、フィッツ、トリプレットを連れてハワイのオアフ島へ向かう。そしてオアフ島の空軍基地のシステムをダウンさせる準備を整えると、次はオーストラリアへ。街を見つけるのに必要な衛星ネットワークはオアフで管理されているが、警備が厳重で侵入できない。そこでオアフがダウンした時に切り替えられるオーストラリアを狙うことにしたのだ。

スカイの分析によって街の場所が判明。コールソンはヒドラが来る前に街を破壊することを決め、モース、ハンター、フィッツシモンズを連れてプエルトリコのサン・フアンへ向かう。 その頃カナダで身を隠していたレイナがヒドラに捕まりそうになり、ケーニグ兄弟に救われる。コールソンはメイ、スカイ、トリプレットにレイナの確保を命じる。

メイのスーパー操縦術でヒドラの撃墜を逃れたバスはサン・フアンに向かい、コールソンたちと合流する。レイナとスカイがヒドラにさらわれたことを知ったコールソンは、ヒドラの到着前に地下都市を爆破することを決意する。

１９８３年、テリジェンミストを吸った若者ゴードンはテレポーテーションの能力を得たが、同時に両目を失い、テレポートのコントロールもうまくできず、変化に混乱していた。そんな人々の導き手となっていたのがスカイの母ジャーインだった。

ポルトガルの海岸に突如レディ・シフが現れる。だがアスガルドから来たことと「カーヴァ」という言葉だけは覚えているものの、地球に来た理由はもちろんのこと自分の名前すら記憶していなかった。ポルトガルの首相じきじきの依頼でコールソンたちはポルトガルへ。サン・フアンでマックの戦闘能力に気づいたコールソンは、彼を現場に出すことにする。

「力はコントロールできる」という本人の主張も虚しく、スカイはインデックス入りが決まる。そして規則として精神鑑定と危険度査定が行われることになり、メイは別れた夫のアンドリュー・ガーナーを半ば強引に説得し、基地に連れてくる。初めは反発していたスカイだが、機知に富んだガーナーとのやりとりに、次第に心を開いていく。

プエルトリコでスカイに撃たれたウォードは、ホワイトホールを失ったエージェント３３に救われ、逃避行を続けていた。ウォードは真意は不明ながら、エージェント３３に素顔と自尊心を取り戻させようと計画。エージェント３３のナノマスクを巧みに利用して空軍基地に潜入し、洗脳される前のエージェント３３を知るバクシを拉致、ナノマスクは外せないもののついに素顔を取り戻す。

冒頭、シールド崩壊の日の回想シーンによって、モース、マック、ゴンザレス、ハートリーの関係が明らかになる。シールドの空母イリアッドの艦長だったゴンザレスはヒドラの攻撃によって絶体絶命。そこへフューリーの命を受けたモースとハートリーが救出に現れ、イリアッドのチーフ・エンジニアだったマックと共にゴンザレスを助けたのだった。

ゴードンに助けを求めたスカイは、目覚めると「アフターライフ」と呼ばれる山の中の施設で目覚める。そこで変化を助ける「トランジショナー」のリンカーンと出会い、様々な説明を受ける。その施設にレイナがいることを知って激怒するスカイの前にジャイーンが現れ、力のコントロールを教える「ガイド」だと名乗る。

ジャーインはスカイのガイドとして力のコントロール方法を教え始める。自分の力が単に周囲のものを破壊するだけではなく、万物の周波数に共鳴できることだと知ったスカイはようやく救いを見出すが、それまでの人生のトラウマによって、幸せを期待することができない。誕生日さえ知らないというスカイを不憫に思ったジャーインは、思わず自分が母親だと名乗る。

家族３人で食事をし、カルの気持ちを少し理解したスカイ。ジャーインがカルを故郷ミルウォーキーに帰そうとしていることを知ったスカイは、捨てられたことを知ったカルが暴れるのを恐れて同行する。

ゴンザレス側に投降したコールソンは、北極にあるヒドラの基地への潜入作戦を提案する。そこはストラッカーとリストが能力者の人体実験を行っている場所で、まず少人数で潜入してマイク・ピーターソンを救出し、ミサイル・システムを解除し、そのうえでゴンザレスたちが基地を破壊するという作戦だ。無謀な作戦のため幹部のウィーヴァーとオリヴァーは異議を唱えるが、コールソンが身内だけを連れて行くと名言したためゴンザレスは賛成する。

「シータ・プロトコル」とは新たなヘリキャリアの建造のことだった。これによってウルトロンによる人類滅亡計画を阻止したコールソンはシールド長官の地位を守り、ゴンザレスたちは顧問団としてコールソンに助言を与えることになった。

テリジェン・クリスタルでゴンザレスを殺害したあと彼の銃で自分の肩を撃ったジャーインは「ゴンザレスに撃たれた。シールドはインヒューマンズを絶滅させるつもりだ」と仲間たちに伝える。さらにゴードンがクインジェットにテレポートしてアフターライフの施設にミサイルを撃ち込み、またもやシールドに攻撃されたかのように見せかけた。スカイはシールドの仲間を心配しながらもジャーインの言葉を信じ、アフターライフに留まる。

コールソンはスカイを救うため、ドクターの心の奥底の良心に訴えかける。ドクターはジャーインとの過去について話し始める。ジャーインは数十年に一度、人間の命を吸い取ることで生きながらえていた。かつては伝統を存続させるために長老たちが自ら生贄となっていたのだが、ホワイトホールに解剖されドクターに縫合されてからのジャーインは良心の呵責がなくなり、自ら生贄を求めるようになっていたのだ。ドクターがひとつの村を全滅させたのも、ジャーインに生贄を調達するためだった。