Après de longs mois de repos à la suite de sa blessure infligée par le légendaire dieu Loki pendant l'invasion de New York, l'agent Phil Coulson réintègre le SHIELD, une organisation internationale qui enquête sur les phénomènes paranormaux et défend la terre des menaces terroristes ou d’invasions extra-terrestre.

À son retour, l’agent se voit confier une nouvelle équipe d’enquêteurs. Elle est composée de Melinda May, une aviatrice experte en arts martiaux ; Grant Ward, un espion redoutable et tout en muscles ; Leo Fitz, un génie de l’informatique et des nouvelles technologies et Jemma Simmons, une biologiste. À cette équipe du SHIELD s'ajoute Skye, une pirate informatique membre d'un groupe de hackers prônant la liberté d'information. Arrêtée par l'équipe de Coulson, elle les rejoint en tant que consultante. Ensemble, ils ont pour mission d’enquêter sur des mystérieux artefacts et de stopper des organisations séditieuses.