정체불명의 외계인 가우나에 의해 태양계가 파괴되고, 간신히 살아남은 인류는 거대한 성간 우주선 '시도니아'를 타고 여행을 떠나야만 했다. 그 항해로부터 약 1000년 후--. 시도니아의 지하에서 할아버지에 의해 조용히 자란 타니카제 나가테는 할아버지의 죽음 이후 식량이 떨어져 지상으로 나오자 쌀 도둑으로 체포되고 만다. 이 때 그를 구해준 것은 시도니아호의 선장이었다. 그녀의 보호 아래 인간형 거대 갑옷인 모리토의 조종사 훈련학교에 입학하게 된 나가테는 할아버지가 아닌 처음 보는 다른 인간들과 교류하게 된다. 그리고 옛 영웅이 타고 다녔다는 17식 모리토 시라츠키 츠구모리(継衛)를 받아 첫 임무를 맡게 되는데, ...... 100년 만에 모습을 드러낸 가우나를 만나게 된다.

자원 채굴 임무를 받고 소행성으로 출격한 훈련생들. 임무는 간단할 것 같았지만 ...... 갑자기 채굴 지점에 가우나가 나타나 훈련생들을 공격해 온다. 가우나의 일격에 나가테는 심폐정지 상태에 빠지고, 야마노 에이코는 포식당하고 만다. 가우나를 조금이라도 멀리 떨어뜨리기 위해 시도니아에 탑재된 중질량포의 발사를 명령하는 함장. 동시에 의식을 되찾은 나가테가 가우나에게 반격하기 시작하지만, 착탄까지는 시간이 없다. 착탄 직전, 손을 내밀어준 것은 시즈카였다. 그녀에게 구출되어 무사히 시도니아로 돌아온 나가테는 가우나의 위협을 실감하고 결의를 새롭게 다진다.

시도니아의 축제, 중력제가 절정을 맞이한다. 아카이 토벌대의 멤버는 모리토의 모의전인 ｢중력배｣에서 쿠나토에 승리하고, 나가테와 호시지로는 축제를 즐기고 있었다. 각자 중력제를 즐기는 가운데, 나가테의 존재가 모리토 조종사들에게 큰 영향을 미치기 시작한다. 시도니아 최강의 아카이 토벌대는 나가테의 전투 방식을 참고하고, 쿠나토는 ｢시라츠키｣를 받은 나가테를 질투하며, 이자나와 유하타는 그런 나가테에게 끌리게 된다. 한편, 먼저 배척한 가우나에 대해 아카이 토벌대가 이틀 후 출격한다고 한다. 나가테는 아카이 일행에게 해수층으로 초대받아 출격 전의 시간을 보낸다. 그리고 다음 날, 드디어 가우나와의 교전이 시작되고 .......

아카이 토벌대에 찾아온 비극은 선내에 큰 충격을 안겨주었다. 고바야시 함장은 다시 한 번 중질량포에 의한 가우나의 배척을 명령하지만, 가우나는 중질량포를 회피할 뿐만 아니라 시도니아로 진로를 돌린다. 고바야시 함장은 가우나와의 접촉을 막기 위해 시도니아를 비스듬히 가속하여 회피하는 행동을 선택한다. 하지만 긴급 가속은 선내의 중력 제어를 상실시켜 거주 구역과 훈련생들에게 큰 피해를 입혔다. 가우나가 다시 접근하는 가운데, 나가테등 4명의 훈련생들은 표류하는 ｢카비자시｣를 회수하기 위해 이동한다. 무사히 회수가 완료된 것처럼 보이는 순간, 가우나는 강력한 헤이그스 입자포를 나가테 일행을 향해 발사한다. 나가테 일행의 기체가 크게 손상되어 절체절명의 위기를 맞는다.

가우나의 공격으로 호시지로기가 대파된다. 호시지로는 가까스로 탈출하지만 우주를 표류하게 된다. 호시지로를 구하고 싶은 나가테는 사령부의 명령을 어기고 홀로 호시지로를 찾으러 떠난다. 얼마 후, 나가테는 호시지로의 탈출 포드를 발견하지만, ｢시라츠키｣의 헤이그스 입자가 고갈되어 두 사람은 함께 표류 생활을 하게 된다. 폐쇄된 공간에서 할아버지 사이토 히로키에 대한 추억을 이야기하는 나가테, 두 사람의 거리는 조금씩 좁혀지지만, 마침내 물이 바닥을 드러내고 ... 한편, 시도니아에서도 고바야시 함장과 히야마 라라는 600년 전 히로키와 함께 가우나를 토벌했던 기억을 떠올린다.

256기의 ｢모리토｣에 의해 구출된 나가테와 호시지로. 시도니아로 돌아온 나가테는 영웅 대접을 받으며 쿠나토, 호시지로, 호노카 엔과 함께 정식 조종사로 임명된다. 앞선 전투에서의 활약이 크게 인정받은 것이다. 임명식에서 쿠나토와 화해하고, 네 사람은 새로운 동료로 ｢장위｣를 구성하게 된다. 한편, 나가테는 자신의 처지에 의문을 품기 시작하며 고바야시 함장에게 의문을 제기하지만, 함장은 시도니아의 기사가 되어 달라는 말만 남기고 취임식장을 떠나고 만다. 함장 곁을 떠난 나가테는 호시지로와 함께 해중부유조를 즐기며 서로의 거리를 좁혀가는데.. 시도니아의 항로에 새로운 가우나가 출현해 출격해야 하는 상황이 발생한다.

보도를 통해 호시지로의 전사 소식을 접한 나가테는 연결형 가우나와의 전투기록을 열람하러 간다. 나가테, 호시지로, 쿠나토, 호노카 엔 4인에게 주어진 임무는 12개의 폭파 말뚝을 일제히 폭파해 꼬리를 자르는 것이었다. 하지만 쿠나토의 계략으로 나가테의 말뚝만 먼저 폭파되고, 꼬리 절단은 실패한다. 당황한 나가테에게 가우나의 촉수가 습격해 온다. 그런 그를 목숨을 걸고 구해준 것은 호시지로였다.. 모든 것을 떠올린 나가테는 방에 틀어박히게 되지만, 라라와 이자나의 농담으로 조금씩 기운을 되찾아간다. 한편, 사령부에서는 부사령관이 된 유하타가 첫 번째 작전을 수행하려 한다. 그 작전은 앞서 연결형 가우나와의 전투에서 놓친 본체가 숨어 있을 것으로 추정되는 행성의 파괴였다.

대행성 유도비행체로 가우나 잠복 가능성이 있는 행성을 파괴하면 호시지로기를 모방한 가우나 3마리가 나타난다. 모리토 조종사들은 3개 조로 나뉘어 각각 1마리씩 가우나와 싸우게 된다. 가우나가 호시지로기의 회선을 이용해 호시지로의 목소리로 말을 하는 것에 당황하면서도 나가테 등 쿠나토반은 호시지로를 모방한 ｢에나｣를 걸치고 있는 한 마리를 격파한다. 나가테는 그 호시지로를 모방한 ｢에나｣를 회수하러 간다. 한편, 사마리반도 대치한 가우나를 격파하지만 나카조노반은 전멸하고 만다. 나카조노반을 전멸시킨 가우나는 다른 두 마리보다 훨씬 강력해 조종사 전원이 동원되어도 추격할 수 없었고, 호노카 호우도 희생된다. 하지만 이 싸움은 가우나의 갑작스러운 도주로 인해 끝이 났다. 라라는 나가테가 매번 출격하는 것에 불만을 품고 고바야시 함장을 추궁한다. 거기에는 나가테의 출생과 관련된 중대한 비밀이 있었다.

｢에나｣호시지로를 보존하는 외계생명체 연구소, 통칭 외생연구소. 연구원인 타히로 누미는 ｢에나｣호시지로의 지능을 확인하기 위해 나가테에 대한 반응을 보는 실험을 한다. 처음에는 포자를 뻗는 반응을 보였던 ｢에나｣호시지로는 실험을 거듭할수록 나가테의 말에 반응하는 듯한 모습을 보이기 시작한다. 마음이 끌린 나가테는 무공을 세우는 한편 출격 틈틈이 외생연구소에 가는 것이 일과가 된다. 누미의 실험이 시작된 시기와 비슷한 시기에 고바야시 함장은 오치아이의 본연의 인격을 깨워 보조 뇌라고 불리는 기억장치에 접근하는 '내림의식'을 행하고 있었다. 그것은 이주를 희망하는 비무장주의자들에게 줄 행성 지구화 기술을 꺼내기 위한 것이었지만, 함장에게는 다른 목적도 있는 것 같았다.

나가테, 이자나, 쿠나토가 기저호로 관광을 떠난다. 쿠나토의 진짜 목적은 제4차 가우나 방어전 이후 처형된 과학자 오치아이가 남긴 연구 시설을 탐험하는 것이었다. 하지만 의도치 않게 최중요경비 격리시설에 접근한 탓에 세 사람은 경비원에 의해 잠들게 된다. 나가테가 깨어났을 때 기다리고 있던 것은 유레 박사와 고바야시 선장이었다. 나가테는 이곳에서 ｢에나｣와 인간의 융합 개체가 만들어졌다는 것, 융합 개체의 몸체에서 인공 ｢카비｣ 제조에 성공했다는 것, 그리고 인공 ｢카비｣를 이용한 신무기가 개발되고 있다는 것을 알게 된다. 이후 시도니아를 떠난 비무장주의자 선발대에게 새로운 가우나가 진로를 향한다. 나가테는 신무기를 장착한 ｢시라츠기｣로 구출에 나서게 된다.

시도니아의 진로에 ｢에나｣로 소행성을 통째로 삼킨 거대한 가우나가 출현한다. 시도니아는 급가속하여 충돌 궤도를 벗어나지만, 가우나 역시 진로를 전환하여 다시 충돌 궤도에 진입한다. 충돌까지 시간이 얼마 남지 않은 상황에서 유하타는 대행성 유도비행체에 의한 소행성 파괴를 명령한다. 하지만 주변 가우나에 의한 착탄 직전 회피와 요격이 예상되어 ｢모리토｣대에게 비행체 착탄 전까지 주변 가우나를 섬멸하는 임무를 부여한다. 나가테는 시도니아의 기사단원으로서의 각오를 새롭게 다지고, 양산형 초고속 탄체 가속장치와 가우나 본체 관통탄을 장착한 ｢모리토｣대의 일원으로 출격한다. 하지만 압도적인 가우나 수와 신무기 훈련 부족으로 ｢모리토｣대는 고전을 면치 못하고, 여기에 ｢베니스즈메｣가 등장한다.

거대 가우나의 본체에 돌파구를 열기 위해 초고출력 헤이그스포를 발사하는 시도니아. 가우나의 내부 구조가 드러나자, 개구부로부터 ｢모리토｣대가 돌격하기 시작한다. 한편 나가테는 사마리 일행의 뒤에 나타난 ｢베니스즈메｣ 격파를 맡는다. 고군분투하며 ｢베니스즈메｣를 쫓는 나가테지만, 지상에서 날아오는 공격에 노출되어 지면에 추락하고 충돌하려는 그 순간, 한 기의 ｢모리토｣에게 구해진다. 나가테를 구한 것은 이자나였다. 하지만 이자나가 ｢베니스즈메｣의 공격을 받아 전역에서 퇴출되고 만다. 의식을 되찾은 나가테는 이자나를 구하려 하지만 다시 ｢베니스즈메｣가 가로막는다.

태양계를 멸망시킨 수수께끼의 생명체, 가우나와 교전하며 신천지를 향해 나아가는 파종선 시도니아. 뛰어난 전과를 올린 모리토 조종사 타니카제 나가테는 훈련생들의 선망의 대상이 된다. 하지만 본인은 외생연구소에서 사라진 ｢에나｣호시지로의 행방만이 신경 쓰인다. 한편, 모리토 조종사를 그만둔 쿠나토 노리오는 과학자 오치아이의 연구소를 방문하고 봉인된 그 곳에서 쿠나토가 본 것은 ..

시도니아의 길목에 나타난 새로운 가우나 '가549'에 고전하는 나가테 일행. 그때 시라우이 츠무기라는 이름의 신형 가우나가 등장한다. '가549'를 공격하는 츠무기에게 말문이 막힌 경비대원들은 서로 싸우는 틈을 타 양측을 격파할 계획을 세운다. 하지만 나가테는 츠무기가 적이 아님을 눈치채고 '가549'의 격파를 돕는다. 츠무기가 내는 목소리는 한때 동료였던 호시지로 시즈카를 떠올리게 하는 목소리로 ..

불사의 선원회를 처분한 고바야시 함장은 독단으로 시도니아의 진로를 렘 항성계 9번째 행성 나인으로 향한다. 목적은 일곱 번째 행성 세븐을 침공하는 대슈가후센을 격멸하는 것이다. 피할 수 없는 가우나와의 전면전. 그리고 일부 민중에게 퍼지는 융합 개체 츠무기에 대한 반감. 가우나 박멸을 맹세한 나가테는 이 상황에 복잡한 심경을 품고 있었다 ..

무수한 가우나 본체를 방출한 '가550'. 앞서가던 츠무기는 주머니 모양의 구조물이 된 가우나 1군에게 잡히지만, 쿠나토는 절호의 기회라며 츠무기에게 장착된 인공 ｢카비｣의 힘을 시험해 보려 한다. 한편, 츠무기의 뒤를 쫓는 나가테와 모리토 조종사 일행은 방출된 가우나 2군을 요격하기로 한다. 누출을 막기 위해 각 소대는 이중 포메이션으로 가우나의 침공을 저지하지만......

가우나의 공격으로부터 몸을 던져 시도니아를 지켜낸 츠무기. 하지만 신체조직의 약 90%를 잃어 중환자실에서 치료를 받아야 하는 상태였다. 나가테와 유하타는 츠무기처럼 치명상을 입은 이자나의 병실을 찾아가고, 그곳에서 어떤 광경을 목격한다. 이자나의 상태에 가슴을 쓸어내리는 나가테였지만, 치료가 계속되는 츠무기의 모습에 마음이 아팠다. 그러던 중 모즈쿠로부터 츠무기의 기운이 회복되어 일반 병실로 옮겨졌다는 소식을 듣는다.

기숙사를 떠나게 되어 갈 곳 없는 나가테는 이자나에게 의지하게 되고 이자나의 집에서 이상한 소리가 들리는데, 그 정체는 츠무기였다. 앞으로 나가테 일행을 몇 번이나 더 만날 수 있을까 생각한 츠무기는 너무도 슬퍼서 이자나의 집으로 뛰어들었다고 한다. 나가테는 그런 츠무기를 격려하며 그녀를 위해 새로운 집을 찾기 시작한다. 한편, 고바야시 함장은 대슈가후센과의 전투를 위해 착실히 준비 하고 있었다. 신병기의 기동 실험이 시작된다.

중력자 방사선 사출 장치가 떠다니는 소행성에 구멍을 뚫는다. 가우나에 대항하는 신무기 실험에 성공했다고 생각한 그 순간, 헤이그스입자 공급원과의 연결이 해제되지 않는 사태가 발생한다. 폭주한 에너지는 격렬한 충격과 함께 점점 확대되어 후방 외곽을 침식하기 시작했다. 한편, 후방 외곽의 정보가 차단된 사령부에서는 유하타가 모리토 부대의 출격을 명령한다. 그곳에 도착한 경비대가 본 것은 ..

후방 외곽에서 발생한 사고의 복구 작업으로 인해 공급제한이 실시 되고, 집단 생활을 권유받게 된다. 나가테 일행의 집에도 유하타가 들어와 이자나의 방을 차지하게 되는 등 생활이 더욱 활기를 띠게 된다. 그런 와중에 실험을 마친 이자나가 집으로 돌아갔을 때, 거기에는 부상당한 유레가 있었다. 이자나는 유레에게 함께 외출을 하자고 권유받지만....

시도니아 최고의 명승지 '천추향'에 도착한 나가테와 이자나. 만개한 벚꽃에 둘러싸인 두 사람은 점점 거리를 좁혀가지만, 나가테는 그저 명승지 조사라고 말하며 임무를 착실히 수행해 나간다. 한편, 유하타와 츠무기는 '천추향'에 잠입해 두 사람의 관계를 방해한다. 밤하늘을 바라보는 나가테와 이자나, 그런 두 사람의 모습을 훔쳐보는 유하타와 츠무기. 그러나 두사람은 그곳에서 어떤 광경을 목격한다.

행성 나인에서 가우나를 만난 이자나 일행의 정찰부대. 가우나의 반응은 순식간에 증가해 이자나 일행은 차례로 격추되고 만다. 한편, 정찰대와의 통신이 끊긴 사령부에서는 고바야시 함장이 가우나 섬멸을 위한 작전 계획을 지시한다. 당장 이자나를 구출하고 싶은 나가테와 츠무기는 출격 허가를 강력히 요청하지만.. 혼란스러운 상황 속에서 이자나를 잃으면 츠무기가 폭주할 것이라고 생각한 쿠나토는 고바야시 함장에게 한 가지 제안을 한다.

나가테와 츠무기 앞에 나타난 가우나는 과거 나가테가 사투 끝에 격추시켰던 ｢베니스즈메｣였다. 츠무기는 나가토에게 이자나를 찾아달라고 부탁하고, ｢베니스즈메｣와 한판 승부를 벌인다. 한편 이자나는 행성 나인의 지형을 파악하라는 대장의 지시에 따라 모리토를 버리고 탐색을 시작한다. 그 길목에서 두 사람이 마주친 것은 지표를 배회하는 가우나였다.

츠구모리 카이니의 기체 내부로 에나를 침입시키는 ｢베니스즈메｣. 조종석 내부까지 침입한 에나는 호시지로의 모습을 재현하며 나가테를 계속 쫓아간다. 이자나에게서 에나의 침입을 막기 위해서는 기체경부의 기밀 격벽을 닫아야만 한다고 충고받지만. 포자에 휘감겨 꼼짝도 할 수 없었다. 게다가 ｢베니스즈메｣에게 츠구모리 카이니의 전원이 꺼져버려..