Na trama, o Agente Coulson (Clark Gregg) recruta uma equipe de agentes sem super-poderes para lutar contra alienígenas e o incomum. O time é composto pelo agente Grant Ward (Brett Dalton), expert em combate e espionagem; a piloto Melinda May (Ming-Na Wen); e os brilhantes, mas socialmente desajustados cientistas Leo Fitz (Iain De Caestecker) e Jemma Simmons (Elizabeth Henstridge). Eles vão se juntar à civil recém-recrutada Skye (Chloe Bennet), uma hacker de computador. Travis Love (The Walking Dead) também está no elenco, como o agente Tony Master, alter-ego do vilão Treinador nos quadrinhos.
O piloto foi coescrito por Joss Whedon, que também assumiu a direção. Além de servir como produtor, o cineasta também deve voltar a assinar mais roteiros de Agents of SHIELD, que será exibida às terças-feiras na TV americana.