綾波レイ
旧世紀版
色白で水色の髪と、赤い瞳を持つ細身の少女。エヴァンゲリオン零号機のパイロット（1人目の適格者＝ファーストチルドレン）。EVA零号機の起動実験の事故により重傷を負い、初登場時は包帯姿で登場する。過去の経歴は全て抹消済みであり、本作における最大のキーパーソンとして重大な役割を果たす。
性格
感情を表に出さず、寡黙で常に無表情だが、庵野秀明曰く「感情の表現の仕方を知らないだけ」である。当初はゲンドウにのみ心を開いていたが、碇シンジと出会ったことで彼とも絆を深めていき、次第に様々な感情を見せ、自我といえるものが芽生えていく。
ペシミズムとも違う存在の希薄さを持ち、「エヴァに乗ることが全てで、他には何もない」と言い切り、どんな危険な任務であっても自らの命を顧みることなく毅然とこなす。エヴァに乗ることは他者との繋がりを持つ唯一の手段であると考え、それにより築かれる他者との「絆」を大切にし、自身の存在理由を見出そうとしている。
生活
古い集合団地（『新劇場版：序』では「第3新東京市市営住宅第22番建設職員用団地6号棟」）の402号室に独り住まい。部屋は打放しコンクリート柄の壁紙が貼られた殺風景なもの。カーテンは昼間から閉め切られ、僅かに光が差し込む程度になっている。自室には生活用品も家電製品も必要最低限のものしか置かれておらず、装飾品や調度品の類は一切存在していない。唯一、零号機の起動実験時に割れてしまったゲンドウのメガネを所持・保管している。私服なども着用している場面はなく、多くの場合、学校の制服で活動していた。
肉が嫌いであり、一度ラーメンを食べに行った際には、ニンニクラーメンチャーシュー抜きを注文していた。自身が趣味として認識しているかは不明だが、ドイツ語で書かれた遺伝子工学の原書を読んでるなど、読書をしている姿が度々描かれている。
真相
出自については謎が多く、脚本決定稿では2010年に現れたレイについて「7歳に見えるが5歳」という記述があることから、少なくとも2005年に誕生し、本来の人間より早く成長している。
小児期の容姿を見た赤木ナオコが一目で碇ユイを想起したほど似ていることから、ユイのクローンと思われがちだが、魂はリリスの魂であり、肉体はEVA初号機に取り残されたユイのサルベージで得られたユイとアダムの遺伝子が半分ずつ受け継がれたハイブリッドである。そのため肉体はユイのコピー的なものとは言えるがクローンとは言えない。1人目や3人目に見られた残虐性はこのアダムの遺伝子によるものとされる。
セントラルドグマに位置する地下プラントには多数の魂のないレイのクローン浮遊体が存在し、何らかの原因でレイが死んだ場合、魂をそれらの新しい肉体に移し変えることで復活する。記憶は定期的にバックアップが取られていたため、前の肉体で最後に保存した記憶までが次の肉体に受け継がれるが、感情面は保存されることはなく、結果として記憶に伴う感情は受け継がれない。しかし3人目のレイが涙を流したことなどを例に、魂の響き合いはあるとされる。魂の宿っていない肉体は、パイロットなしでエヴァンゲリオンを起動するための「ダミーシステム」のコアとして活用され、システムのパーソナルも綾波レイのものが用いられる。
作中には3人のレイが登場し、1人目のレイは幼女のころNERVがゲヒルンから改名する以前、赤木ナオコに対してゲンドウの陰口をそのまま本人に伝え、激昂した彼女により絞殺される。シンジが初めて出会ったのは2人目のレイであり、第弐拾参話のアルミサエル戦において自爆死した後に登場したのが3人目となる。これによりシンジに対する接し方もリセットされ当初のように戻ってしまうが、劇場版ではシンジの激昂に反応すると、2人目のように「碇くん」という呼び方に戻り、シンジの元へと向かう。
『新世紀エヴァンゲリオン2』によれば、アダムやリリスは、サードインパクトを起こし補完計画を発動する際、魂を導く道標としての役割もあり、ゆえにゼーレはアダムの魂を持つ渚カヲルを、ゲンドウはリリスの魂を持つ綾波レイを極秘裏にそれぞれ用意していた。ゲンドウは、レイ＝リリスに人類の魂を初号機（ユイ）の元へ導いてもらおうと画策していたのである。
また、レイが心の奥深くにいるリリスと会話したり、地下の磔にされている肉体だけのリリスと会話する場面も存在する。そして、魂が移され綾波レイになったことで、リリスだった頃の記憶はほぼ持っておらず、綾波レイとしての肉体が長く保てないのは、本来の自分の肉体ではないからとされている。
漫画版
アニメ版に対し、あらゆる意味で相対的に人間的なキャラクターとして描かれている。最初から「碇くん」と呼んでいた他、アニメであったゲンドウを非難するシンジに平手打ちを食らわす描写はなく、ヤシマ作戦以降シンジに対して以前よりも親密な態度を示す描写が加えられている。
アニメ版ではストーリーの合間に垣間見える程度だったシンジへの恋心が、漫画版でははっきりシンジを想っている。また、シンジもレイに恋しており、二人がお互いに恋心を抱いていたという設定は最終話に繋がっている。
シンジの2度目の来訪の際に自分からシンジを家に上げて紅茶を入れようとするが、実は今まで入れたことがなかったため、適量が分からず紅茶の葉を山盛り入れようとしていた。また、停電した基地内でアスカがミサトを探す際に「暗闇でも歩けて便利」という理由で同行するように要求されると、自分に関係ないとしてあっさり拒否する一方で、アスカが加持に渡すようにシンジに託した手紙を気にしたりするなど、コミカルな描写もある。
ゲンドウが自分のことを気遣っているように見えて、実は他人（ユイ）のことを思っているのに気づいていた描写や、シンジの母であるユイとの繋がりを明らかにするような描写も追加されている。また用途・効果・目的は明示されないが、顔面が崩壊しかけた後で赤木リツコから薬の投与を受けている。
次第にシンジの存在がゲンドウ以上に大きくなっていったことが彼女自身のモノローグで語られ、ゼルエル戦後に初号機に取り込まれたシンジのサルベージの際は、「碇くんを私に返して」と初号機に呼びかけ、シンジの帰還に陰で貢献する。そして、シンジに触れられる度に様々な感情を抱いていたことを彼に告げると、自ら手に触れたいとシンジに伝えるシーンも登場する。
毎日シンジがアスカの見舞いに通う姿に嫉妬し、使徒に侵食された際にはシンジを独占したかった気持ちも描写される。その後、アニメ同様に2人目のレイが爆死し、その様を目にしたシンジは「君を失いたくない」と悲しみ、絆の深さが描かれた。
2人目の自爆死亡からはアニメ版とほぼ同様の展開だが、とりわけ補完世界においては明確に2人目のレイの感情をそのまま持ち合わせてる様が描かれ、同一人物のように描写されている。シンジの補完拒否と「もう一度君と手を繋ぎたい」という願いを受け入れつつ、涙と共に出会えたことへの感謝と別れの言葉を告げると、リリスの体は崩壊し、シンジの願いを乗せ、地上に雪のように降り注いでいった。そして、「シンジが（世界に）還ってくるのを待っている」とモノローグで告げる。サードインパクト後は、恐らく長い時間をかけて人々が平穏に生活する新世界として再構成されている。
パラレル作品
『新世紀エヴァンゲリオン 鋼鉄のガールフレンド2nd』（漫画：林ふみの）では、最終回の碇シンジの補完世界の可能性において登場した転校生の綾波レイ（リナレイ）のキャラクター性が基本となっている。出生の経緯が謎に包まれているなど、背景は原作と同様の設定ではあるものの、感情表現も豊かで明るく活発な性格。
『新世紀エヴァンゲリオン 碇シンジ育成計画』（漫画：高橋脩）では鋼鉄2ndより大人しく、原作アニメより社交性が高いキャラクターとなっている。この作品ではアスカとはシンジを巡って三角関係だが、原作に比べて仲は比較的良好である。
『新世紀エヴァンゲリオン 学園堕天録』（漫画：眠民）では原作に近いキャラクターとなっている。また、多少の天然キャラを思わせる性格も見え隠れしている。
新劇場版
ヒロインの1人で、EVA零号機のパイロット（”第1の少女”）。一人称は「私」、二人称は「あなた」。
新劇場版:序
彼女の登場シーン、および性格や人格には旧世紀版から特に変更は見られない。ただしゲンドウと冬月の会話において、レイとシンジとの邂逅自体が仕組まれたものであったことが示唆されている。またシンジ同様に、旧世紀版における呼称「第1適格者(ファーストチルドレン)」は用いられず、「第1の少女」と呼ばれている。ヤシマ作戦において、零号機の暴走事故の際に落としたゲンドウの眼鏡をケースに入れて携帯している描写が見られる。
新劇場版:破
シンジの作った味噌汁のおいしさにちょっとした感動を覚え、自分のためにお弁当を作ってくれたことから、シンジのために料理を練習し、シンジとゲンドウの距離を縮めるために関係者を招き食事会を開くことを企画する。朝、教室に入る時に「おはよう」と挨拶したり、アスカとのエレベーターの会話はよりアスカを気遣うものに変化し、アスカのビンタも受け止める。またその際にシンジのことをどう思ってるのか聞かれ、「碇くんと一緒にいるとぽかぽかする」と好意感情を口にする。そして3号機の起動実験のテストパイロットを代わってくれたアスカへ「ありがとう」と電話をするなど、シンジのみならず他の者に対してもアニメ・旧劇版より感情を発露するようになっている。
記憶を保存する作業をしている際、首輪にREI-02と書かれている事から、原作と同じく2人目のレイである事が判明している。
また、EVAに搭乗することを拒否したシンジがNERVを去る際にゴミ箱に捨てたS-DATを、ゲンドウの眼鏡の代わりに零号機のコクピットに持参し、「碇くんがもう二度とエヴァに乗らなくてもいいようにする」という決意で第10の使徒との戦いに臨むなど、彼女にとってシンジが大切な存在になっていることがより明確に描写される。旧世紀版と同様、N²兵器を使い第10の使徒を特攻の形で殲滅しようとした際には、起爆の直前、援護してくれた2号機と搭乗者（マリ）が爆発に巻き込まれることを避けるため、「ありがとう」の言葉と共に後方へ払い飛ばした。
その後、第10の使徒に零号機ごと捕食され取り込まれてしまうが、「綾波を助けたい」というシンジの強い願いから、初号機のコアにサルベージされる。この一連の出来事が初号機の覚醒を促すこととなった。
新劇場版:Q
前作において初号機のコアに取り込まれたレイ（REI-02）とは異なる、「アヤナミレイ（仮称）」が登場。EVANGELION Mark.09に搭乗し、着用するプラグスーツの色は、純白を基調としていた綾波レイとは対照的に、漆黒を基調としたものになっている。
シンジが取り出された際の初号機からは、第10の使徒戦でレイが所持していたS-DATのみが復元された。
ヴィレの戦艦AAAヴンダーをMark.09で急襲し、シンジを新設NERVへ連行する。シンジが第10使徒から命懸けで守ろうとしたレイとは似て異なる存在（別人）であるため、彼のことは名前以外ろくに知らず、「碇くん」とは呼ぶものの無関心な接し方しかしない。地下の謎の施設横に設置されている粗末な小屋で生活しており、そこで命令を待っているという。しかし普段はあまりそこにはおらず、また今までの綾波とは違い読書などもしない。カヲルによると魂の場所が違うらしい。
中盤、水槽の中にいるときにその向こう側にいる制服姿の綾波レイと対峙して驚きを見せるが、すぐに水槽内の泡に視界を阻まれ、レイはいなくなっていた。
第13号機がロンギヌスの槍とカシウスの槍を抜きに向かうための護衛として同行した際、シンジに「綾波じゃない」と言われ、それ以降自分が何者なのか疑問視し始める。
その後、マリの8号機、アスカの改2号機と交戦し、第13号機の覚醒に伴いMark.09の制御がゼーレに奪われ、改2号機に噛みつかれた際、「こんな時、アヤナミレイならどうするの？」と自問自答し、結果エントリープラグを強制射出して脱出。その後はシンジやアスカの元へと向かい、二人についていく。
前作まで登場していた綾波レイについて、ミサトは「存在しない」、冬月は「初号機に保存されている」とシンジに言っていたが詳細は不明。また綾波レイ含め、本作のアヤナミレイ（仮称）も、ユイの残された情報を元に複製された｢アヤナミシリーズ｣の一つであることが明かされ、アスカはアヤナミレイ（仮称）を「綾波タイプの初期ロット」と言っている。またユイの旧姓が「綾波」であったことも冬月によりシンジに告げられる。シンジ、アスカと同様にリリンが近づけないほどL結界密度が強い場所にいることができる。
ゲーム版
セガ（後のセガゲームス）からセガサターン用ソフトとして発売されていたゲームシリーズを始め、多くのゲーム作品では原作（アニメ版）の印象を忠実に再現したキャラクターとして登場しており、イメージもほぼ同一となっている。
『新世紀エヴァンゲリオン 綾波育成計画withアスカ補完計画』など、原作の印象とは全く異なるレイをメインに据えたキャラクターゲームも登場している。
『新世紀エヴァンゲリオン2』ではレイが死ぬと何度でも新しいレイが現れる。戦闘で死亡した場合、その戦闘結果は「死亡」とはならず「意識不明の重体」と発表される。経験に乏しい3人目以降のレイは精神的に未熟とされており、デフォルトのレイとパラメータや傾向に差異が大きい。また、以前のレイが持っていた友情・愛情などの感情はリセットされている。
「スーパーロボット大戦シリーズ」では零号機の自爆イベントで途中で離脱してしまうことが多い。『第3次スーパーロボット大戦α 終焉の銀河へ』では初号機と弐号機との合体攻撃や、ロンギヌスの槍が必殺武器として装備されるも、命中率や攻撃力をアップさせる精神コマンドを覚えない上に、ロンギヌスの槍はストーリー後半で無くなってしまうため、攻撃面での能力は低い。唯一の利点はパスキューマシンでパイロットの気力が下がっていくイベントの時で、サイボーグの獅子王凱と鋼鉄ジーグ、バーチャロイドのテムジン、フェイ・イェン、ハッター、そして綾波レイの計6人は気力が下がらない（凱とジーグはサイボーグだから影響が無いと語られるが、レイについては誰も指摘しない）。
名前の由来
苗字の由来は大日本帝国海軍吹雪型駆逐艦「綾波」。名前はアニメ『美少女戦士セーラームーン』のセーラーマーズ＝火野レイに由来し、幾原邦彦などの同シリーズに関わったスタッフを制作陣に引き込もうという狙いがあったが、この試みは成功しなかった。また「零（れい）」との掛詞でもある。
デザイン
イメージモチーフはキャラクターデザイナーを務めた貞本義行から、筋肉少女帯の「何処へでも行ける切手」という曲において、綾波の包帯のイメージを得ていることが一つ挙げられる。ちなみに「何処へでも行ける切手」の歌詞は、丸尾末広の漫画「少女椿」の主人公「みどりちゃん」をモデルとしており、さらにこれは森田童子の楽曲「セルロイドの少女」に登場する「みどりちゃん」に由来している。
色白・青色の髪・赤い瞳などの容姿は「将来的にゲーム化された際、髪が青で目が赤ければドット絵でもレイと分かるだろう」という商業的、デザイン上の理由で決められている。以下、キャラクター設定の経緯についての貞本の発言を挙げる。
目を赤くしたのは庵野さん。庵野さんが、確かにそれで行こうと言ったんだけど。…（中略）…（プロデューサーに）なんか特徴が足りないって言われて。髪の毛の色と目の色は、やっぱりアニメっぽくしてくれと。見た瞬間にキャラクターがわかる色にしてくれと。…（中略）…それで髪の毛の青だけは、前の企画の『ウル』の主人公が一人だけ青なんですよ。それだけ持ってきて、女の子、全てのキャラクターは黒なんだけど、女の子だけ髪の毛を青にしたいと。それでやったらなんか、庵野さんが「赤い目にしない?」とか言い始めて。「えーっ、赤い目?」それで塗ってみたら、あっ、かっこいいって。
 — 貞本義行、『スキゾ･エヴァンゲリオン』165ページより
黒い靴下を履いている理由については、貞本義行が中学生時代、女子ハンドボール部員がこぞって黒い靴下を履いているのを見て「戦う少女＝黒い靴下」と認識したことによるもの。
他作品への出演
2018年8月11日放送のTBS系テレビアニメ『新幹線変形ロボ シンカリオン』第31話でエヴァンゲリオンコラボが行われ、シンジを始め使徒を含め、ごく僅かながらエヴァのキャラクターが登場した。なお、声は原典と同じく林原が担当。
日本国外版での声優
英語版吹き替えはアマンダ・ウィン＝リーが担当していたが、『ヱヴァンゲリヲン新劇場版:序』からはブライナ・パレンシア（Brina Palencia）へと交代した。