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Im Jahr 1931 in New York City stehlen mehrere Chronicoms die Gesichter von drei Polizisten und töten einen Kontakt in einer örtlichen Kneipe. Die S.H.I.E.L.D.-Agentin Jemma Simmons stellt Direktor Alphonso "Mack" Mackenzie und Agentin Daisy Johnson eine LMD-Version von Phil Coulson vor. Dieser kämpft mit seiner Existenz und der vielen in ihn hochgeladenen Informationen. Daisy und Deke Shaw untersuchen die gesichtslosen Polizisten und werden von den Chronicoms angegriffen, schaffen es aber, einen zu überwältigen und ihn zum Zephyr zu bringen.
Coulson und Mack gehen derweil dem Geschehen in der Kneipe nach und treffen auf den Besitzer, Ernest "Hazard" Koenig. Er erzählt ihnen, dass die Polizisten für die Sicherheit bei einer Veranstaltung zu Ehren von Gouverneur Franklin D. Roosevelt sorgen. Simmons überlastet den Geist des Chronicoms und zwingt ihn dazu, ihr wahres Ziel zu enthüllen: Wilfred "Freddy" Malick, ein Mitarbeiter von Koenig und zukünftiger Vater des Hydra-Anführers Gideon Malick.
Das Team rettet Freddy vor den Chronicoms und erkennt, dass sie Hydra schützen müssen, um die Zukunft von S.H.I.E.L.D. zu sichern. Auf dem Zephyr hilft der Chronicom Enoch, ein Verbündeter von S.H.I.E.L.D., dabei, Agentin Melinda May zu heilen.
Deke und Mack versprechen, Freddy zu beschützen und begleiten ihn mit dem Zug, um eine Lieferung zu machen. Währenddessen versammeln sich die anderen Agenten im Koenig's Speakeasy und verhören Freddys Kontaktperson, Viola. Dabei erfahren sie, dass sie ein Hydra-Agent ist und dass Freddy etwas transportiert, das später zu Hydras Supersoldaten-Serum werden wird.
Zurück auf dem Zephyr versucht Enoch, die unberechenbare May daran zu hindern, das Schiff zu verlassen. Coulson greift ein, kann aber nicht verhindern, dass sie gleichgültig auf seine Anwesenheit reagiert. Koenig hilft dem Team, den Ort der Lieferung von Freddy herauszufinden und erfährt dabei von S.H.I.E.L.D., den Chronicoms und der Zeitreise.
Daisy kontaktiert Deke und befiehlt ihm, Freddy zu töten, um den Aufstieg von Hydra zu verhindern. Mack hindert ihn jedoch daran, diesen Plan umzusetzen. Koenig versucht ebenfalls, Freddy von der Lieferung abzuhalten, wird aber von Freddy angeschossen, der dann zusammen mit einem Hydra-Agenten verschwindet und somit ihre Zukunft sichert.
Der Zephyr reist unvermittelt durch das nächste Zeitfenster, um den Chronicoms zu folgen, und lässt Enoch zurück. Trotz allem wird Enoch von dem sich erholenden Koenig angestellt und erklärt sich bereit, ihm mehr über S.H.I.E.L.D. und Robotik zu erzählen.
Die Agenten landen im Jahr 1955 in der Nähe von Area 51, einer S.H.I.E.L.D.-Basis, die an einem Projekt namens Helius arbeitet – einem Prototyp für einen Ionenfusionsreaktor. Sie entführen den ranghohen Agenten Gerald Sharpe, und Coulson gibt sich als dieser aus, während Simmons in die Rolle von Peggy Carter schlüpft, um die Chronicom-Eindringlinge aufzuspüren. Dort treffen sie auf Carters ehemaligen Partner Daniel Sousa, der ihre Tarnung aufdeckt.
Trotz seines Widerstands und rassistischer Einstellungen gegenüber Teilen des Teams, gesteht Sharpe schließlich, dass Helius ohne eine mächtige Energiequelle nicht funktionieren kann. Deke schließt daraus, dass die Chronicoms planen, einen der ihren zu opfern, um die Waffe zu aktivieren und die Basis zu zerstören. Unterdessen erscheint Daisy undercover und überzeugt Sousa, ihre Teamkollegen freizulassen, gerade als die getarnten Chronicoms ihren Plan umsetzen wollen.
Daisy und Simmons verbessern in letzter Minute ein S.H.I.E.L.D.-EMP-Gerät, um Helius, die Basis, die Chronicoms und Coulson zu deaktivieren. Mack und Deke bringen Sharpe zurück in die Wüste und geben sich als Aliens aus, um keinen Einfluss auf die Geschichte zu nehmen.
Coulson erwacht in Sousas Gewahrsam mit einem Systemfehler, der ihn die Welt in Schwarz-Weiß sehen und einen inneren Monolog im film noir-Stil hören lässt. Er merkt, dass heute der Tag ist, an dem Sousa während der Übermittlung eines Geräts an Howard Stark (Marvel Cinematic Universe)|Howard Stark stirbt. Mit Hilfe von Enoch im Speakeasy ruft Coulson das ''Zephyr''. Elena Rodriguez|Elena "Yo-Yo" Rodriguez und Deke finden das Gerät, aber Deke wird von Hydra gefangen genommen. Er trifft auf den älteren Wilfred Malick, der ihm das Leben schenkt, da Deke ihn 1931 verschont hat. Yo-Yo und Simmons entdecken, dass May empathy|die Emotionen anderer Menschen spüren kann. Mack, Coulson und Daisy erkennen, dass Hydra Sousa tötet, um zu verhindern, dass er ihre Anwesenheit bei S.H.I.E.L.D. enthüllt. Sie beschließen, die Geschichte zu ändern und Sousa zu retten. Nachdem er das Gerät übergeben hat, schlägt Coulson Sousa bewusstlos und täuscht dessen Tod vor. Sousa erwacht auf dem ''Zephyr'' und ein reparierter Coulson erklärt ihm die Situation. Sie reisen erneut in der Zeit vorwärts, während ein Chronicom in 1955 zurückbleibt und Malick Hilfe anbietet.
Im Jahr 1973 kehren die Agenten zu einem Speakeasy zurück und stellen fest, dass S.H.I.E.L.D. an Project Insight arbeitet, welches eigentlich erst Jahrzehnte später entwickelt werden sollte. Geleitet wird das Projekt von Wilfred Malick, der eigentlich bereits 1970 gestorben sein sollte. Wilfred und die Chronicoms versuchen, die Agenten gefangen zu nehmen. Doch Daisy nimmt kurzzeitig seinen Sohn Nathaniel, der ebenfalls tot sein sollte, als Geisel, um ihre Flucht zu ermöglichen. Währenddessen sieht Nathaniel, wie Daisy ihre Kräfte einsetzt.
Die Agenten finden wieder zu Enoch und kehren zum Zephyr zurück. Ohne Vorwarnung springen die Chronicoms ins Jahr 1976, als Project Insight gestartet werden soll, und der Zephyr folgt ihnen. Coulson und May platzieren im Leuchtturm Sprengsätze, wo Insight gestartet wird, während Deke und Yo-Yo Wilfred konfrontieren, der von Deke getötet wird. Daisy und Sousa werden von Nathaniel gefangen genommen. Mack stoppt die Detonation, als er sieht, dass seine Eltern, John und Lilla Mackenzie, als Geiseln gehalten werden, was Insight den Start ermöglicht. Die Agenten nutzen den Zephyr, um Insight zu zerstören, wodurch ihre Position verraten wird. Nathaniel versucht daraufhin, Daniel Whitehall zu erreichen, um Daisys Kräfte auf sich zu übertragen.
Im Leuchtturm werden automatisch Raketen auf die "Zephyr" abgefeuert, was den Zeit-Antrieb beschädigt. Während Deke, Simmons und Enoch die Reparatur übernehmen, entdeckt Deke, dass Simmons ein Gedächtnisimplantat hat. Dieses Implantat blockiert ihre Erinnerungen an Leo Fitz's Aufenthaltsort, behält jedoch Wissen über Zeitreisen bei. Nathaniel führt Experimente an Daisy durch und überträgt ihre Kräfte auf sich, wird jedoch von diesen überwältigt, wodurch das Gebäude, in dem er sich befindet, zerstört wird. So kann Sousa Daisy zurück zur "Zephyr" bringen.
May nutzt ihre Fähigkeiten, um verdeckte Chronicoms zu identifizieren, während sie und Coulson General Rick Stoner (Marvel Cinematic Universe)|Rick Stoner retten. Coulson findet das Schiff der Chronicoms und spricht mit ihrer Wahrsagerin, Sibyl (Marvel Cinematic Universe)|Sibyl, bevor er das Schiff, sich selbst und viele der Chronicoms in die Luft sprengt. Mack und Yo-Yo entdecken, dass Macks Eltern bereits tot sind und ihre Plätze von Chronicoms eingenommen wurden. Dies zwingt Mack dazu, sie aus dem Quinjet zu werfen. Die "Zephyr" springt nach 1982, und Mack steigt aus, um zu trauern. Deke sieht nach ihm, doch plötzlich springt die "Zephyr" weiter durch die Zeit, wodurch sie gestrandet sind.
Im Jahr 1982 feststeckend, verbringt ein verzweifelter Mack das nächste Jahr allein in Trauer. Deke schaut gelegentlich bei ihm vorbei und überzeugt ihn schließlich, sich seine neue Band „The Deke Squad“ anzuschauen. Die Band besteht aus Olga Pachinko, Roxy Glass, Cricket sowie den Zwillingen Ronnie und Tommy Chang und spielt 80er-Klassiker, die noch nicht geschrieben wurden. Deke enthüllt, dass er die Bandmitglieder heimlich zu S.H.I.E.L.D.-Agenten ausbildet und dass das Bewusstsein von Coulson auf einer Festplatte gespeichert wurde.
Unterdessen hat auch Sibyls Bewusstsein überlebt. Sie nutzt einen einsamen Programmierer, um sich einen primitiven Körper zu bauen. Danach erschafft sie neue "Hunter"-Roboter, die den Programmierer töten, bevor sie den Leuchtturm auf der Suche nach dem Zeitstrom überfallen, den Sibyl zur Vorhersage der Zukunft benutzt. Mack hilft Deke und den neuen Agenten, die Jäger zu besiegen, ohne zu wissen, dass ein kleiner Roboter mit dem Zeitstrom entkommen ist.
Der „Zephyr“ taucht gerade rechtzeitig wieder auf, sodass May und Yo-Yo sich mit Mack und Deke vereinen können. Der Letztere berichtet May von den Ereignissen des vergangenen Jahres. Der kleine Roboter bringt den Zeitstrom zu Nathaniel, der den Zusammenbruch überlebt hat und nun mit Sibyl zusammenarbeitet.
Nach der Rettung von Mack, Deke und Coulson erklärt Simmons dem Team, dass der Zeitantrieb sie immer schneller vorwärts springen lässt, bis er schließlich zusammenbricht. Da Yo-Yo's derzeit inaktive Kräfte nötig sind, um den Antrieb zu deaktivieren, schlägt Daisy vor, nach Afterlife zu reisen, um Hilfe von ihrer Mutter Jiaying zu erhalten.
Yo-Yo und May kommen in Afterlife an und treffen Jiaying, die gerade einem bedrückten Inhuman namens Kora mit ihren unkontrollierbaren Energien hilft. Nach einer Untersuchung von Yo-Yo stellt Jiaying fest, dass ihre Probleme mentaler und nicht physischer Natur sind und bittet May, ihre empathischen Fähigkeiten einzusetzen. Yo-Yo offenbart, dass sie den Tod ihres Onkels miterlebt hat und sich seitdem selbst die Schuld gibt.
Währenddessen erscheint Nathaniel und überzeugt Kora, sich ihm anzuschließen, um Afterlife zu übernehmen. Yo-Yo, May, Jiaying und der junge Inhuman Gordon sind gezwungen zu fliehen. Zurück auf der Zephyr erkennt Yo-Yo, dass sie sich selbst zurückgehalten hat, und schafft es, den Zeitantrieb zu deaktivieren. Doch kurz nachdem das Team sich niedergelassen hat, startet der Zeitantrieb plötzlich wieder und die Zephyr springt erneut unerwartet.
Der ''Zephyr'' gerät in einen Zeitvortex, während Daisy aus ihrer Kryokammer erwacht. Nach einiger Zeit bemerkt sie, dass sie in einer Zeitschleife gefangen ist, da sich die Ereignisse immer wiederholen und das Schiff mit jedem Durchlauf näher an das Zentrum des Vortex gerät. Coulson, der offenbar schon länger in der Schleife steckt, erkennt sie und erklärt ihr die Situation. Daisy vergisst jedoch alles, sobald sie stirbt.
Bald entdecken Daisy und Coulson, dass ein Gedächtnisimplantat bei Simmons der Schlüssel zu ihrem Problem sein könnte. Ein versuchter Eingriff endet jedoch in einem tödlichen Unfall, und es stellt sich heraus, dass Enoch, der darauf programmiert ist, Simmons' Implantat zu schützen, unabsichtlich ihre Tode verursacht hat.
Nach mehreren gescheiterten Versuchen gelingt es ihnen schließlich, das Implantat zu entfernen. Simmons erklärt ihnen, dass man Enocks Energiemechanismus braucht, um den Zeitantrieb zu reparieren, was jedoch sein Leben kosten würde. In der letzten Schleife opfert sich Enoch freiwillig, um den Antrieb zu reparieren, und stirbt. Vor seinem Tod teilt er Daisy mit, dass dies ihre letzte gemeinsame Mission als Team sein wird.
Währenddessen hilft Nathaniel Kora dabei, ihre Kräfte unter Kontrolle zu bringen.
Nathaniel rekrutiert den jungen John Garrett, der sich in der ursprünglichen Zeitlinie gegen S.H.I.E.L.D. wandte und von Coulson getötet wurde. Nathaniel zeigt Garrett diese Zukunft und arbeitet daran, die Fähigkeiten von Inhumans auf seine Männer zu übertragen. S.H.I.E.L.D. behält Jiaying im Lighthouse zu ihrem Schutz. Daisy erfährt, dass Kora, die vor ihrer Geburt starb, ihre Halbschwester ist. Sie verbringt Zeit mit Jiaying, ohne ihr zu verraten, dass sie ihre Tochter ist. Coulson und Gordon teleportieren sich nach Afterlife, Nathaniel erwartet dies jedoch und fängt sie ab. Er überträgt Gordons Kräfte auf Garrett und tötet Gordon dabei. Garrett teleportiert Nathaniel zum Lighthouse, während Yo-Yo und Mack die gefangenen Inhumans und Coulson befreien. Sie nehmen Kora gefangen. Nathaniel enthüllt Jiaying, dass Daisy ihre Tochter ist, bevor er Jiaying tötet und flieht. Garrett entführt Simmons und stiehlt zusammen mit Nathaniel das Zephyr, ohne zu wissen, dass Deke noch an Bord ist. Nathaniel erklärt, dass sie Simmons zwingen wollen, zu verraten, wo Fitz ist, da er der einzige ist, der sie aufhalten kann.
Kora behauptet, dass sie mit S.H.I.E.L.D. zusammenarbeiten will, obwohl die Agenten vermuten, dass sie andere Absichten hat. Da Sibyl jeden ihrer Schritte kennt, entscheiden sich Daisy, Sousa und Mack, unvorhersehbar zu handeln und nehmen einen Quinjet, um Nathaniel und den "Zephyr" ins All zu folgen. Nathaniel versucht, Informationen aus Simmons herauszubekommen, indem er Deke als Druckmittel benutzt. Dabei kann er jedoch nicht herausfinden, wo sich Fitz befindet, und seine Handlungen führen dazu, dass Simmons komplett vergisst, wer Fitz ist.
May verhört Kora, die daraufhin den Strom im Lighthouse abschaltet, was Sibyl ermöglicht, in das Hauptsystem einzudringen. Coulson erkennt, dass er den Computercode lesen kann, den sie verwendet, und versucht, sie auszusperren. Kora schlägt vor, ihr Wissen über die Zukunft zu nutzen, um diejenigen zu eliminieren, die es verdient haben. Daraufhin zeigt May ihr Jiayings Leiche, woraufhin Kora wütend wird. Garrett teleportiert sie jedoch sofort zurück zum "Zephyr".
Währenddessen beobachten Daisy, Sousa und Mack, wie eine Chronicom-Flotte mit dem "Zephyr" zusammentrifft. Die Chronicoms nutzen die von Sibyl gestohlenen Informationen, um die S.H.I.E.L.D.-Einrichtungen auf der ganzen Welt zu zerstören.
Nach der Landung auf dem Chronicom-Schiff sucht Daisy nach Deke und Simmons, während Sousa und Mack eine Gruppe von Chronicom-Soldaten abwehren. Sibyl plant, dass Daisy Simmons findet, um ihre Erinnerung aufzufrischen, aber der ungeduldige Nathaniel schickt Kora, um sie zu konfrontieren. Daisy beruhigt Kora, die ihnen daraufhin zur Flucht verhilft. Nathaniel schlägt daraufhin Kora nieder und nimmt ihre Kräfte. Die Agenten kehren zum ''Zephyr'' zurück und entkommen dem Schiff.
Mit dem Leuchtturm als einzigem noch stehenden S.H.I.E.L.D.-Stützpunkt pflanzt Garrett Bomben, um ihn zu zerstören. Coulson, Yo-Yo und May fangen ihn jedoch ab und neutralisieren seine Kräfte. Sie zwingen Garrett, die Explosion zu verhindern, während Nathaniel ihn im Stich lässt. Trotz allem überleben sie. Garrett beschließt, sich den Agenten anzuschließen und teleportiert sie ins Speakeasy, wo er jedoch von anderen Agenten, die sich dort versteckt halten, getötet wird.
Alle sammeln sich wieder und schaffen mit Simmons' Hilfe einen "Schlüssel", an den sie sich erinnerte. Dieser Schlüssel öffnet ein Portal, welches Fitz zu ihnen bringt. Fitz ist jedoch enttäuscht, dass Simmons sich nicht an ihn erinnert.
Fitz erklärt, dass er aus ihrer ursprünglichen Zeitlinie in diese neue gekommen ist, indem er das Quantum Realm genutzt hat. Deke beschließt, in der neuen Zeitlinie zu bleiben, um zu helfen, die anderen und die Chronicoms zurück in die ursprüngliche Zeitlinie zu schicken. Dabei wird er der neue Anführer von S.H.I.E.L.D. In der ursprünglichen Zeitlinie angekommen, hilft Fitz Simmons, sich an ihn und das Leben, das sie gemeinsam beim Bau der Zeitmaschine geführt haben, zu erinnern. Dazu gehört auch ihre Tochter Alya (Marvel Cinematic Universe)|Alya. Coulson, May, Mack und Daisy schleichen sich auf das Schiff der Chronicoms, um Kora zu retten und sich Nathaniel zu stellen. May und Kora vereinen ihre Fähigkeiten, um den Chronicoms Empathie zu verleihen und so ihren Angriff zu beenden. Daisy kämpft gegen Nathaniel und zerstört schließlich die Schiffe der Chronicoms, wobei Nathaniel und Sibyl getötet werden. Die Agenten finden Daisy im Weltraum, und Kora belebt sie wieder. Ein Jahr später haben Fitz und Simmons sich zurückgezogen, um Alya großzuziehen. May ist nun Professorin an der Coulson Academy von S.H.I.E.L.D.; Mack führt weiterhin S.H.I.E.L.D. an, und Yo-Yo ist eine seiner besten Agentinnen. Daisy erkundet zusammen mit Sousa und Kora das Weltall; und Coulson macht sich auf, um die Welt zu bereisen.