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誠應高等学校に通う渡瀬青葉は、明るく友人思いな少年。夏休みも明け、久しぶりに 登校した青葉は、友人とバスケットボールをしているところを謎のロボットに襲われる。 それは、未来からやってきた人型戦闘機・ヴァリアンサーだった。 友人を守るために一人逃げ惑う青葉。 絶体絶命と思われたその時、もう１機のヴァリアンサーが出現。 そのパイロットは、なんとクラスメイトの弓原雛だった！

雛とともに特異点に飛び込み、光に包まれた青葉。気付くとそこは、 連合軍の試作ヴァリアンサー・ルクシオンの中だった。砲火が飛び交う周囲の状況が 理解できない青葉を尻目に、ルクシオンはナイスカップリング反応を示す。 その相手は、連合軍のもう1機の試作ヴァリアンサー・ブラディオンを駆るディオだった。 ゾギリア軍の猛攻を打破するため、連合軍の新造艦・シグナスの艦長である倉光は、 ディオに青葉とのカップリングを命令するが･･････！

自由条約連合と、新エネルギー大国・大ゾギリア共和国との世界大戦、そして連合が 生み出したカップリングシステムについて、説明を受ける青葉。 しかしなぜ時間を超えることができたのか、そして雛がどうなったのかは、やはり 不明のまま。そんなとき、ゾギリア軍のエース・アルフリード率いる部隊が再び攻撃を 仕掛けてきた。標的はルクシオンとブラディオン。 出撃した青葉は、ディオとカップリングして反撃に転じるが、 戦いの最中に思いがけない人物と出会い……。

自分を庇って深手を負ったリーたちと共にシグナスへ帰投した青葉は、ディオに激しく 叱責される。そして何とか敵を退けたシグナスは、補給のため習志野基地へ入港した。 そんな中、倉光の計らいで下船許可を得た青葉は、まゆかとともに生まれ育った町を 訪れるが、自宅があった場所は更地になっていた。 失意の青葉は、高校があった場所へ向かうが･･････。

ゾギリア軍の航空艦に襲われていたディオの父・隼鷹貞道の船を救出した青葉とディオ。 しかしディオと貞道の険悪な雰囲気に青葉は疑問を抱く。 翌日、新兵訓練と称して荻坂に雑用をやらされていた青葉は、シグナスへの乗船を 拒否されているディオの妹・フィオナを見つける。 フィオナからディオの過去を聞かされた青葉は、彼女をディオに会わせるために シグナスへと招き入れる。

機密事項のカップリングシステムが公になり、連合の議会は紛糾する。 そこで連合本部は、民衆を味方につけるためにシステムのプロモーションビデオの 制作を決定。カップリング機であるルクシオンに乗るのは当然青葉じゃないか、 とヤールに言われ浮足立つ青葉だったが、撮影用パイロットは別に用意されていた。 それは、カップラー養成機関でのディオの同期・フロムだった！

正式に配属となったフロムを加えてハワイ基地へと向かうシグナスは、ゾギリア 親衛師団の旗艦・ゲイボルグの追跡を振り切るため、接近中の暴風雨と地形を利用して 一旦身を隠すことに。しかしアルフリードの駆る新鋭艦・ヴァジュラが、シグナスの 位置を特定。その情報を得て、ゲイボルグの親衛師団が再びシグナスを急襲する。 一方、シグナスでは、ディオとフロムがカップリング出来なくなってしまった原因が 明らかになろうとしていた。

嵐の中で消息不明となった、青葉のルクシオンとヒナのフォルトナ。 シグナスは嵐が収まるまで身動きが取れず、ゾギリア側も親衛師団長の捜索が 優先される中、青葉とヒナの機体は無人島に不時着していた。 青葉は水没するフォルトナから何とかヒナを救い出すが、彼女はそんな青葉を拘束。 機体の損壊でお互い助けを呼ぶことができず、洞窟で嵐をやり過ごす中、 青葉は過去からやってきた経緯をヒナに語る

過去へ戻る唯一の鍵だと思っていたヒナが、自分の知っている雛とは別人だと知って、 密かに落ち込む青葉。そんな中、カップリングシステム開発チームのリーダーだった Dr.フェルミが、突然シグナスを来訪。 彼は青葉とディオのカップリングを見るため、そして弟子のエルヴィラに会うために、 ハワイからやってきたのだ。一方その頃、ヴァジュラではマルガレタが自らの進退を 賭けた作戦を開始しようとしていた。

連合軍のハワイ基地に到着したシグナスの面々は、Dr.フェルミの葬儀に参列。 そこでディオは、参列者の中に父・貞道がいることに気付く。 そんな中、半舷上陸を許可された青葉とディオ、そしてまゆかの3人は、 シグナスクルーに頼まれ、お使いに出発。だが貞道と和解するよう勧める青葉に 反発して、ディオは別行動を取ってしまう。 一方ヴァジュラでは、ヒナの父で特殊部隊を率いるヴィクトル・リャザン少佐が、 新たな作戦のために合流していた。

連合のカップリング機強奪の命を受けたリャザン少佐は、ヒナやビゾンを加えた 部下たちと共にハワイ基地へ潜入。 格納庫内でルクシオンとブラディオンを発見するも、リャザンはヒナを庇って 撃たれてしまう。死の間際、これまで黙っていた秘密をヒナに語り始めるリャザン—— 彼女はリャザンの実の娘ではなく、記憶を失った戦災孤児だったのだ。 ショックを受け、茫然と基地内をさまようヒナ。そんな彼女の目の前に、 突然青葉が現れ……。

旧型カップリング機で青葉とカップリングしたディオは、青葉の過去を垣間見て、 彼の過去から来たという言葉が真実だと確信する。一方ゾギリアのアラスカ基地では、 カップリング機のカルラとネルガルを完成させたDr.ハーンが適性のある パイロットを探していた。ヒナのカップリング適性の高さを知ったハーンは、 彼女を無理やりカップラーにしてしまう。 適性のなかったビゾンは自らハーンの誘いにのり、ヒナのバディとして強化される事を 決意する。

アラスカに隠されたゾギリアの超巨大砲・ガラプーシカの一撃によって、甚大な ダメージを受ける連合主力艦隊。さらに、ヒナとビゾンが操る新型カップリング機・ カルラとネルガルが、連合主力艦隊に追い打ちを掛ける。 一方激戦区に放り込まれたシグナスは、アルフリードのヴァジュラと交戦。 そこにカルラとネルガルも現れ、絶体絶命のピンチに——。 そのとき青葉とディオが、新型機・ルクシオンネクストとブラディオンネクストを 駆って戦場に現れる！

シグナスへ降り立ったヒナは、青葉と共に過ごすため、 そして自分の記憶にない過去を知るために、連合への亡命を希望する。 その頃ゾギリアでは突如クーデターが勃発し、新たに臨時最高会議議長が就任。 その男、エフゲニー・ケダールこそ、過去へ飛ばされ名を変えたビゾンであった。 そんな中、ガラプーシカを超える超弩級ネクター砲がゾギリアの軍事衛星に隠されて いたことが発覚。シグナスはその破壊命令を受け、宇宙へと向かう。

単体でカップリング機並みの能力を発揮可能な巨大ヴァリアトラス・カルキノスを駆り、 ルクシオンネクストの前に現れたビゾン。その圧倒的なパワーと、周囲のカップリングを 無効化するジャミング能力に、青葉たちは苦戦を強いられることに。 しかしカルキノスの能力を見抜いたエルヴィラがシステム内に疑似人格を用意し、 青葉は単独でのカップリングに成功。さらに青葉とディオ、そしてヒナが三人同時に カップリングを果たし、形勢を一気に逆転する！