Mike Peterson scheint Superkräfte zu besitzen, denn er springt aus dem fünften Stock eines explodierenden Gebäudes, um eine Frau zu retten. Darüber hinaus ist das Team auf der Suche nach einer Hacker-Gruppe, die sich ‚Rising Tide‘ nennt und mutmaßlich relevante Informationen besitzt. Nachdem sie Skye, Mitglied der Rising Tide, fassen können, möchte diese zunächst nicht kooperieren. Doch dann hilft sie dem Agententeam. Es wird aufgeklärt, dass Peterson seine übermenschlichen Kräfte dank einer Technologie besitzt, die er von einer extremistischen Organization erhielt. Als die Agenten das explodierte Gebäude untersuchen, können sie rekonstruieren, dass Grund des Unfalls eine weitere Testperson war, die explodierte. Um Peterson zu schützen, nehmen sie seine Fährte auf. Peterson jedoch kidnappt Skye und flieht, da er davon ausgeht, dass die Agents of S.H.I.E.L.D. ihn und seinen Sohn bedrohen.
Coulson und seine Agenten reisen nach Peru, um ein „0-8-4“ zu bergen. Der Zahlencode steht für ‚Objekt unbekannter Herkunft‘. Das Team erkennt schnell, dass das Objekt tatsächlich ein Teil der vergessenen HYDRA-Technologie ist. Coulson trifft eine frühere Verbündete, Camilla Reyes. Von einem plötzlichen Angriff der Rebellen überrascht, entscheidet Coulson seine ehemalige Verbündete mit an Bord des Flugzeuges zu nehmen. Doch Camilla betrügt das Agententeam und kapert das Flugzeug. Sie möchte die Kraft der HYDRA-Waffe für sich selbst nutzen, um die Rebellen von Peru endgültig zu vernichten. Doch das überwältige S.H.I.E.L.D.-Team findet einen Weg sich zu befreien. Indem jedes Teammitglied seine individuelle Stärke einbringt, gelingt es ihnen, das Flugzeug wieder in ihre Kontrolle zu bringen und Camilla in Gewahrsam zu nehmen. Als das Team wieder gelandet ist, empfängt Skye eine Nachricht von der Gruppe ‚Rising Tide‘, in der sie an ihre Loyalität erinnert wird.
S.H.I.E.L.D. sucht einen ihrer Agenten, Dr. Franklin Hall, der von seinem bisherigen Partner Ian Quinn gekidnappt wurde. Bei der Entführung wurde eine Gravitätsmaschine genutzt, die den S.H.I.E.L.D.-Convoy mit Dr. Hall einfach durch die Luft wirbelte. Ian Quinn möchte Dr. Hall dazu benutzen einen riesigen Gravitätsgenerator, den „Gravitonium“, zu steuern mit dem man die Schwerkraft der ganzen Erde zu kontrollieren kann. Das Team fliegt nach Malta. Dort meldet sich Skye freiwillig das Anwesen von Quinn zu infiltrieren, so dass Coulson und Ward Dr. Hall retten können. Syke gelingt es Quinn davon zu überzeugen, dass sie S.H.I.E.L.D. hintergeht, da sie immer noch für die „Rising Tide“ arbeitet. So kann sie zeitweise sein Vertrauen gewinnen und Coulson und Ward etwas Zeit verschaffen.
Nach einer Reihe von weltweiten Diebstählen machen sich Coulson und sein Team daran, die Identität des Diebs zu erfahren. Sie stellen fest, dass keine geringere als Coulsons ehemaliger Schützling Akela Amadour hinter den Diebstählen steckt. Coulson ging davon aus, dass Akela tot sei und kann nicht glauben, dass sie in den Fall involviert sein soll. Das Team versucht Akela zu fassen. Ein schwieriges Unterfangen, denn Akela wurde bei einer Operation eine Kamera ins Auge gepflanzt, so dass ihre Erpresser alles sehen können, was Akela sieht.
Chan Ho Yin ist ein Straßenzauberer in Hong Kong und träumt von einer großen Karriere. Als er Raina, dem Mädchen mit dem Blumenkleid, verrät, wie er Feuer macht, entführt sie ihn. Raina verspricht Chan den Ruhm, nach dem er sich sehnt, wenn er sich als Gegenleistung zu einigen Experimenten mit ihm bereit erklärt. Als S.H.I.E.L.D.-Agent Quan Chen von der Entführung Chans erfährt, versucht das Team, ihn aufzuspüren. Sie finden heraus, dass es „Rising Tide“ war, die Informationen über Chan durchsickern ließ. Verantwortlich für diese Informationen ist Skye, die allerdings vehement ihre Unschuld beteuert. Sie glaubt aber zu wissen, dass ein Hacker namens Miles die Informationen weitergegeben hat.
Agent Coulson und sein Team untersuchen eine Reihe von Todesfällen mit Schwebekraft und elektrostatischen Anomalitäten. Anfangs geht das Team davon aus, die Todesfällen seien durch gewöhnliche Waffen verursacht worden, bis sich herausstellt, dass sie durch ein Alien-Virus verursacht wurden, das auf einem Chitauri-Helm aus der Schlacht von New York geborgen wurde. Dieser verwandelt die ahnungslosen Opfer in elektrostatische Bomben. Als der Agent Simmons mit dem tödlichen Virus infiziert wird, setzen Simmons und Agent Fitz alles daran, sie zu retten. Coulson erhält den direkten Befehl, Agent Simmons zu töten, dem er sich aber widersetzt. Daraufhin ergreift Simmons selbst die Initiative. Wird das S.H.I.E.L.D.-Team es schaffen, Simmons zu retten und den tödlichen Helm zu beschlagnahmen?
Coulson und sein Team fahren in die S.H.I.E.L.D.-Zentrale und erhalten von der Chef-Agentin Victoria Hand eine spezielle Aufgabe: Ward und Fitz sollen nach South Ossetia fahren, um dort eine Waffen-Einrichtung namens „Overkill“ ausschalten. Skye und Simmons hingegen versuchen parallel, mehr über die Mission herauszufinden, da sie mit den Details nicht vertraut wurden und die Mission als Sicherheitslevel 8 klassifiziert wurde. Simmons hackt sich in den geheimen Datensatz ein, wird jedoch vom Agenten Jasper Sitwell erwischt. Sie sind jedoch schnell genug um herauszufinden, dass es kein Rettungsmanöver geben wird, dass Ward und Fitz wieder zurückbringt. Coulson wendet sich an Victoria Hand und das Team kann Ward und Fitz schließlich befreien, die ihre Mission erfolgreich ausgeführt haben. Bezüglich Skyes Familienvergangenheit erfährt Coulson mehr heraus, behält die Informationen aber erst einmal für sich ...
Während die S.H.I.E.L.D.-Agenten nach der Auseinandersetzung in London noch damit beschäftigt sind, asgardische Artefakte zu sichern, weckt ein Ereignis in Norwegen ihre Aufmerksamkeit: Die heidnische Gruppierung um Jakob Nystrom und Petra Larsen fällen einen jahrtausendealten Baum und bergen in dessen Inneren ein Artefakt. Alle, die dieses berühren, bekommen übernatürliche Kräfte und werden dabei von einer ungebändigten Aggressivität getrieben. Um dem Ursprung auf die Spur zu kommen, kontaktiert das Team den in Spanien lebenden Professor Elliot Randolph. Dieser erkennt, dass das Fundstück zu einem der drei Teile eines asgardischen Stabes gehört. Der Berserker, dem dieser Stab gehörte, besaß die Kraft von 20 Männern und war für seine aggressive Kampfweise bekannt. Bevor er sein Leben als Krieger aufgab, zerbrach er seinen Stab in drei Teile und verstecke diese an unbekannten Orten. Um den Fall aufzuklären, reist das Team nach Sevilla. Dort muss es jedoch feststellen, dass der Professor anscheinend eigene Pläne verfolgt ...
Nach einem Unfall an einem Partikelbeschleuniger scheint es, als würde es bei Hannah Hutchins nicht mit rechten Dingen zuzugehen. Denn es sind nicht nur einige ihrer Kollegen ums Leben gekommen, sondern auch weiterhin passieren in ihrem Umfeld merkwürdige Dinge. Doch Hannah beteuert ihre Unschuld. Als die Agenten sie befragen wollen, macht sich ein Auto selbstständig und Hannah muss vorläufig betäubt werden. Das Team möchte mit der Befragung an Bord ihres Flugzeuges fortfahren. Die Verhörmethoden von Coulson und May bringen wenig Erfolg und Skye ist dementsprechend unzufrieden. Während des Fluges wird das Team plötzlich von einem „Geist“ angegriffen. Die Stromversorgung wird gekappt und das Flugzeug muss notlanden. Das S.H.I.E.L.D.-Team hat keine Möglichkeit, die Außenwelt zu kontaktieren, und muss somit alleine mit dem „Geist“ zurechtkommen.
Die Gruppierung „Project Centipede“ befreit den mysteriösen Edison Po mit Hilfe einiger Menschen, die über Superkräfte verfügen. Coulson verstärkt daraufhin sein Team mit einem bekannten Gesicht: dem mittlerweile konvertierten Mike Peterson. Coulson und sein Team kommen der Wahrheit immer näher, als plötzlich einige überraschende Geheimnisse enthüllt werden und eine unerwartete Wendung das Leben der einzelnen Teammitglieder bedroht.
Agent Coulson befindet sich nach den Ereignissen der letzten Episode in feindlicher Hand. Doch genau dort könnte er einen Durchbruch feiern, was die Aufdeckung seiner mysteriösen Wiederbelebung angeht. Was war damals in Tahiti? Doch will er die Wahrheit wirklich erfahren? Zumal Project Centipede und die Frau im Blumenkleid jedes Wort mithören können. Der Rest seines Teams setzt nun selbst alles daran ihn wieder zu finden. Besonders Skye begibt sich dafür in besondere Schwierigkeiten.
Coulsons Team teilt sich auf: Ward, Chloe Bennet, Fitz und Simmons gehen einer Spur in der S.H.I.E.L.D.-Academy, genauer gesagt der Science and Technology Divison nach, wo ein Gerät auftaucht, das Dinge einfrieren lassen kann. May und Agent Coulson, stellen indes eigene Recherchen nach, nachdem klar wurde, dass ranghohe S.H.I.E.L.D.-Agente an Coulsons Erinnerungen gedoktert haben. Nun wollen die beiden mehr zum Fall Skye erfahren. Dabei geht es um die Frage, ob die S.H.I.E.L.D.-Agentin, die Skye im Waisenhaus abgegeben hat und später zu Tode kam, eventuell ihre Mutter war. Die Reise führt das Duo nach Mexiko, wo sie nach dem Agenten Lumley suchen, der mehr dazu zu wissen scheint.
Das S.H.I.E.L.D.-Team um Agent Coulson ist dem mysteriösen Clairvoyant dicht auf den Fersen. Auf der Jagd nach ihm begeben sich die Agenten an Bord eines geheimnisvollen Zuges, welcher sich schnell als eine Todesfalle herausstellt und die Agenten bis an die Grenzen ihrer Belastung treibt. Skye und Fitz kümmern sich an Bord um die Einrichtung der Teamkommunikation, Simmons und Coulson geben sich als Zugpassagiere aus, für die sich Simmons aufgrund ihrer desaströsen Improvisationsfähigkeit viel zu detailreiche Hintergrundgeschichten ausgedacht hat. Nicht nur Simmons und Coulson spielen den anderen Passagieren etwas vor, auch Fitz und Skye tun so, als wären sie ein Pärchen, das noch nach einem guten Restaurant schaut. May und Ward kümmern sich um das Grobe, scheitern dabei aber jeweils aus verschiedenen Gründen. Ziel ist es, ein von Ian Quinn erstandenes Stück Technik von Cybertek Inc. abzufangen, aber das will den einzelnen Miniteams nicht so recht gelingen, die Gegner sind nämlich gut vorbereitet.
Ian Quinn hat auf Skye geschossen, um herauszufinden, wie Coulson wiederbelebt werden konnte. Denn Quinn hofft, so Informationen vom S.H.I.E.L.D.-Team dazu zu erhalten. Coulson versucht mit allen Mitteln, Skye zu retten. Dabei setzt er auf die Hilfe von Wards früherem Vorgesetzten John Garrett. Gemeinsam wollen sie ein einer geheimen S.H.I.E.L.D.-Einrichtung nach einem Heilmittel suchen, das ihr Leben retten kann. Doch was verbirgt sich hinter der Tür mit dem Schriftzug T.A.H.I.T.I? Nichts wird nach diesem Einsatz mehr so sein, wie es war. Außerdem entdeckt er eine schockierende Wahrheit über sein eigenes Leben und S.H.I.E.L.D.
Die gefährtliche Asin Lorelei kann aus ihrer 600 Jahre langen Gefangenschaft aus Asgard ausbrechen und hat sich die Erde als Ziel ihrer manipulativen Kräfte auserwählt. Durch ihre Stimme und ihre Berührung vermag sie es, Männer nach ihrem Willen zu manipulieren. Ihre ersten Opfer erweisen sich als unwürdig, bis sie Ward findet, der ihr eine Armee verspricht. Der Fall ist diesmal so schwierig, dass die asgardische Kriegerin Sif Coulson Team zur Hilfe kommt, um die Verführerin dingfest zu machen. Passend dazu bringt sie gleich ein asgardisches Halsband mit.
Nachdem ein Safe House in Australien von Deathlok angegriffen wird, wird in Agent Coulsons Flugzeug eine Krisensitzung mehrerer SHIELD-Agenten und -Leiter abgehalten. Man möchte nun endlich einen Weg finden, den Hellseher aufzuspüren – und zwar so, dass dieser die SHIELD-Teams nicht kommen sieht. Coulson erinnert sich daran, was Raine ihm gesagt hat, dass der Hellseher ihn seit seiner Wiederbelebung nicht mehr „lesen“ kann. Gilt das vielleicht auch für Skye? Coulson beschließt, alles auf diese eine Karte zu setzen. Man hat mehrere Verdächtige. Skye soll die vielversprechendsten heraussuchen und sie bestimmten Zweierteams zuordnen. Diese erfahren den genauen Standort und die Zielperson erst, wenn sie sich in der näheren Umgebung befinden. Doch an einem der Zielorte erwartet die Agents Blake und May eine Falle ...
Coulsons Verdacht, dass etwas in den Reihen von S.H.I.E.L.D. nicht stimmt, verhärtet sich. Das Team ist dem mysteriösen Hellseher näher denn je. Aber hat diese Person wirklich hellseherische Fähigkeiten oder ist die Lösung gar naheliegender? Bald befinden sich Coulson und sein Team in einer Situation wieder, in der sie niemandem vertrauen können. Nicht mal den eigenen Teammitgliedern. Denn mindestens ein Verräter befindet sich in ihrer Mitte. Aber wer es ist, könnte nicht einfach herauszufinden sein.
S.H.I.E.L.D., wie Coulson und Co es kannten, liegt in Trümmern. Dekadenlang wurde die Geheimdienstorganisation von Terroristen unterwandert und das Team muss nun mit minimalen Mittel auskommen. Außerdem kann niemandem mehr vertraut werden. Zu allem Überfluss befindet sich Colonel Glenn Talbot nun auf der Jagd nach Coulson und dessen Team. Durch eine geheime Botschaft finden Coulson und seine Agenten eine mehr als geheime S.H.I.E.L.D.-Basis, die vielleicht Klarheit verschaffen würde. Doch der diensthabende Agent nimmt vorerst nur Coulson ins Vertrauen. Zurecht, denn in seinen Reihen befindet sich unbemerkt ein Maulwurf, der alles zerstören könnte und nebenbei seine düsteren Pläne im Auftrag des Hellseher weiter verfolgt.
Bevor Coulsons Team zum Schlag gegen HYDRA ausholen kann, müssen sich alle Agenten Eric Koenigs Lügendetektor-Test unterziehen. In der Zwischenzeit befreit Garrett den inhaftierten Marcus Daniels. Coulson hatte ihn einst in die Fridge bringen lassen, nachdem er eine Cellistin aus Portland gestalkt und mit dem Absorbieren von Energie für großen Schaden und Blackouts gesorgt hatte.
Skye kann ihre Kollegen zwar warnen, Ward aber nicht daran hindern sie zu Garrett zu bringen. Dieser will sie zwingen die Backup-Festplatte, die fast das gesamte S.H.I.E.L.D.-Archiv abbildet, zu dechiffrieren. Ein unerwartetes Wiedersehen mit Agentin Maria Hill, die mittlerweile für Tony Stark arbeitet und dabei ist, die Weltsicherheit zu privatisieren, bringt Coulson auf die Spur von Garrett und Ward.
Coulsons Team bereitet sich auf die finale Schlacht gegen Garrett und seine Leute vor. Während Wards Hörigkeit gegenüber Garrett näher beleuchtet wird, geben sich die Agenten Coulson und May als Wissenschaftler aus, die den Icer an die HYDRA-Organisation Cybertek verkaufen wollen. Vor Ort wollen sie einen von Skye installierten Trojaner aktivieren und einen Blick in geheime HYDRA-Akten werfen.
Coulson, May, Triplett und Skye bekämpfen die Centipede-Soldaten, versuchen Cybertek zu infiltrieren und es kommt zum unausweichlichen Showdown zwischen Agentin May und dem abtrünnigen Ward, zwischen S.H.I.E.L.D. und HYDRA, zwischen Gut und Böse. Fitz und Simmons befinden sich nach wie vor in einer scheinbar ausweglosen Lage, doch von einem alten Bekannten naht Hilfe.