有紀学の憧れは銀河鉄道の安全を守る空間鉄道警備隊、通称“SDF”のシリウス小隊隊長である父親の渉。休暇のため、学が住む惑星タビトへ帰ってきた渉。だが親子の再会も束の間、シリウス小隊専用列車001“ビッグワン”にスクランブルがかかる。学と兄の護は、ふとしたことからビッグワンへと乗込んでしまい…。

父や兄の遺志を継ぎ、SDFへの入隊に合格した学は、母のカンナを説き伏せて故郷に別れを告げた。SDFの本拠地“惑星ディスティニー”へ向かう途中、学は“時の結び目”と呼ばれる時空のひずみに引き寄せられ、宇宙海賊たちと戦うSDF最強部隊“スペース・パンツァー・グレネーダー”の一員である兄の護と出遭い…。

シリウス小隊に配属された学に620号列車で立てこもり事件発生との連絡があった。隊長のバルジから、新入りの学に対して冷たい態度をとる先輩のブルースとのコンビで作戦遂行を命じられた学は、犯人に銃を突きつけられて泣き叫ぶ赤ん坊とその母親の悲鳴に衝動を抑えきれず、突入の合図の前に車両に踏み込んでしまい…。

惑星メリディエス。テリーは亡き恋人の面影を求め、その星に一瞬だけ訪れる夜にやってくる幽霊列車へと乗り込み失踪する。妹のジェインは、SDFへ兄の救出を要請。シリウス小隊が現場へと向かうが、ジェインは学たちの制止を振り切り幽霊列車へ乗込もうとし、それを追う学とルイも幽霊列車の中へ吸い込まれていき…。

墜落した無人貨物列車873号の牽引と回収任務にあたっていたビッグワンが謎の故障に見まわれた。修理中の学が隙を見せた瞬間、突然襲いかかる謎の人影。不意打ちを食らった学の前に立っていたのは、宇宙海賊ガイとその仲間たちだった。やがてガイたちはビッグワンを強奪、デイビッドが人質に取られてしまう…。

特急列車323号が突然淡く光る謎の液体に包まれ大爆発を起す。この未曾有の大事故にSDF本部は、シリウス小隊、スピカ隊、べガ隊を派遣、救助にあたらせる。やがて一人の生存者である少女を救出した学たちだが、ユキの介護も虚しく少女は息を引き取る。その少女の死に父の最期を見た学は大きく動揺、取り乱すが…。

青年ショウとの出会いで心の傷を癒す学。その間にもSDFを嘲笑うかのように謎の大爆発が次々と発生。一方、323号の生存者であった少女の蘇生手術が成功したというニュースを聞いた学はバルジに謹慎の解除を願い出て宇宙へと飛び出す。そんな矢先、ショウがガトリング銃を携え、銀河鉄道管理局に乗込むのだった…。

車両整備場での研修を言い渡された学。そこには、引退を間近に控えた老整備士ホイットマンが学を指導していた。一方、特急227号が強力な磁気雪崩に遭遇。現場へと向かったビッグワンも新たに出現した磁気雪崩によって被害が出てしまう。事件を聞いたホイットマンはオンボロ列車825号に学を連れ、宇宙に旅立ち…。

アリアドニ・ジャンクションで起きた電波障害のため、ビッグワンは近くの惑星ディオに緊急停車。小隊に束の間の休息が与えられた。久しぶりの休暇に笑顔がこぼれる学たちとは別に浮かない顔をするブルース。そんな中、ディオに古くから伝わる記憶を盗む少年サライが突如ブルースの前へと現れ、彼の記憶を盗んでしまい…。

宇宙空間に浮かぶ空間軌道ジャンクション“アルファ32分岐点”で護送中の機械化人を含む囚人たちが脱走した。バルジらは二手に分かれ脱走犯たちを追跡。ユキと組んだ学も脱走の主犯格で機械化人のレオンと人間の女性ライザを追い詰める。だが、ケガをしたライザにユキは看護を申し出、レオンの人質となってしまい…。

立ち往生した特急134号を牽引して惑星コルネリアに到着したビッグワン。その星では、バルジのかつての恋人カタリナが小さなレストランを営んでいた。ある日、街を走るバルジの目の前をカタリナが通り過ぎる。そして、バルジの心に二人を切り裂いたある事件が甦るのだった…。

一年後に消滅する惑星アーベント。シリウス小隊の協力により全住民の移送が進む中、取り残された住民の確認のため学が郊外地区へと向かう。しかし、郊外への暗いトンネルを抜けるとそこには金色に彩られた麦畑が広がり、驚く学の前に一人の老婆が現れるのだった…。

休暇が終わり故郷タビトを発った学は、間違って行先不明列車777号へと乗り込む。焦る学の前に突然、列車が次元ホールへと突っ込み、超重力惑星に引き込まれてしまう。やがて轟音と共に車内へ装甲を纏った謎の植物型人間たちが侵入、学に襲いかかるのだった…。

学とルイは、クラリオス星団共和国大統領ドレイク夫妻の警護を命じられる。やがて、大統領を乗せた要人専用列車ディグニティ号は惑星ファレイダーへと出発するが、大統領の政策表明阻止をもくろむ殺し屋が列車へと乗り込み、大統領たちに忍び寄るのだった…。

銀河鉄道の分岐点である宇宙ステーションに千年周期で宇宙を放浪する巨大なヴァンデルン流星群が接近。管理局は、スピカ小隊、べガ小隊両隊を出動させるが、べガ小隊の独断行動にスピカ小隊は帯同を拒否、代わってシリウス小隊が共同任務に就く…。

銀河鉄道公営のカジノ列車が走行中、海賊の集中砲火を浴び惑星グィンに不時着。直ちにシリウス小隊が救助に向かうが、惑星グィンの大気や土壌は、あらゆる金属を腐蝕させる性質を持ち、乗客を救うため地上に落下したユキの身体を蝕んでいく…。

雪と氷に閉ざされた惑星ハーガ・ルー。この星には宇宙一美しい宝石“イスペリルの青い炎”があるという。ある日、ハーガ・ルーに小型機が墜落しビッグワンが出動、この星の謎の騎士団に襲われていた美女アイリーンを救出する…。

SDF本部内に突如正体不明の工作員が侵入、ブルースと学は管内の捜索を開始する。しかし、工作員を追いつめた間際、敵の手により学の胸が貫かれてしまう。そして目の前にいたブルースに友を失ったあの“悪夢”が甦ってくるのだった…。

リゾート列車610号。車内には、休日をべガ小隊隊長村瀬の実家、温泉惑星の“村瀬旅館”で楽しむため、シリウス、べガ、スピカ小隊の隊員たちの姿があった。しかし、到着した彼らに待っていたのは、休暇ではなく、旅館の看板猫であるシロボタの捜索だった…。

学はSDFを一人離れ、兄の護が所属していた精鋭部隊SPG（スペース・パンツァー・グレネーダー）の研修訓練に参加していた。優秀な成績の学にSPG隊長ヨハンソンも学を引き抜くつもりでいたが、そんな矢先、学の乗った訓練列車に突然磁気嵐が襲いかかる…。

迷宮惑星クーロンから謎の救難信号がSDFへ届く。シリウス小隊は発信者確認と保護のためビッグワンを走らせるが、クーロンにいたのは銀河系には存在しない謎の植物型人間リフルだった。やがて、学たちはリフルの口から驚愕の事実を聞かされる…。

リフルを追ってきた、アルフォート星団帝国軍の戦艦の攻撃により大きな損害を受けたビッグワンは第4番惑星に不時着を敢行する。そして、その攻撃でルイもまた重傷を負ってしまう。学とブルースは、輸血用の血液を入手するため、ビッグワンを後にするのだった…。

非業の死を遂げたブルースを乗せ、ビッグワンがディスティニーへ到着する。プラット・ホームにはSDF全隊員が並び“死神”と呼ばれた孤独の戦士を出迎えた。一方、バルジはイワノフから命令違反による査問委員会にかけられ、バルジは職務解任、小隊は解散させられてしまう…。

銀河系を狙うアルフォート星団帝国軍がいよいよ総攻撃態勢に入った。SDFは全隊に出動命令を発令。デイビッドはリゲル小隊へ、学はべガ小隊、そしてルイはスピカ小隊へと配属された。しかし、SDFを信用しないイワノフは、SPGを独断で出動させてしまう…。

アルフォート星団帝国軍の圧倒的火力の前に、SDF各隊は大きな打撃を受けてしまう。一方、バルジは謹慎中にも拘らず、リフルから手に入れた新兵器コスモマトリクスをビッグワンへと装備、帰還した学、デイビッド、ユキたちを乗せ敵旗艦へと向かって行くのだった…。

新兵器により敵艦隊を撃破したビッグワンだったが、直後、新たなディメンション・ホールが出現、超巨大戦艦とその艦隊がディスティニーに向け攻撃態勢に入る。一方、ルイが敵に囚われている情報を入手した学たちは、巨大戦艦にビッグワンで単身乗り込んでいくのだった…。