Free! nous entraîne dans la vie de quatre lycéens passionnés de natation et se connaissant depuis l'école primaire.

Sogoru Kyo est un lycéen de la ville de Maihama. Il mène une vie typique des garçons de son âge, allant au lycée, ayant des histoires d'amour et une passion pour la natation. Sa vie change le jour où il voit une fille à la piscine, Misaki Shizuno, et découvre qu'il est (au début) le seul à pouvoir la voir. Il est introduit dans un monde où il lutte contre des robots géants dans un monde ressemblant à un jeu. Il commence à se rendre compte que le monde dans lequel il vit n'est peut-être pas le vrai.

Higashigaoka High School’s male swimming club presently has only three second-year members – leader Sakaki Shuhei, Shinozuka Daiki and Koganei Haruyoshi. They welcome the new school year with the aim of getting members.