2014年の東京。ごく普通の高校生、夏目アキラはある日、交通事故にあってしまう。目が覚めると、そこは2030年の東京湾にうかぶ密輸組織の船の中だった。しかも自分は機械でできた脳だけの姿になっている。混乱するアキラだったが、警察官の上園美波とアンドロイドのアルマとともに協力して船から脱出する。安心したのもつかのま、アキラは現れた士牙総司に「お前は全人類の敵だ」と告げられてしまう。

士牙によってほぼ強制的に警視庁エクスアーム対策課に入れられてしまったアキラ。戸惑いつつも鹿王院千景とともに荒廃した東京の町をめぐっているうち、小春という少女と出会う。そんな中、都内で自爆テロ事件が次々に発生する。小春もテロの犠牲になりそうなことを知り、アキラは対策課のメンバーと連携して、ついに犯人を見つけ出す。事件の解決に全力で取り組む姿を見て、対策課の面々もアキラを受け入れるのだった。

アキラたち対策課一同は、日本に亡命中のムアンジ共和国元大統領、ジェイソン・モラウが保持するエクスアームを回収する為、モラウの屋敷がある経済特区へと向かう。しかし、モラウのアンドロイド、エルミラが二脚戦車に乗って現れ、エクスアームと思われる能力でその行手を阻む。対象物を消失させるエルミラの攻撃に、太刀打ちできない対策課、戦う術もないアキラ。そこに、士牙が送り込んだ追加装備が到着する。

入谷重工が開発した戦闘用ボディ、オーガに接続したアキラ。初めて接続するにも関わらず、自在にオーガを制御し、エルミラの二脚戦車に反撃を開始する。「戦うことだけが存在意義」と言うエルミラの言葉に、失っていた記憶を呼び覚まされたアキラは、オーガのまま暴走し、驚異的な力でエルミラとモラウを倒す。それでも暴走がおさまらないアキラを、美波とアルマが正気に戻すのだった。

同級生の美波や転校生のアルマ、対策課の面々と繰り広げられる青春学園ドラマ--それはアキラの意識が作りだした仮想空間。アキラの記憶を呼び戻そうと、仮想空間に潜ってアキラの潜在意識に迫る対策課一同、そして密かに介入する『ユグ』。そこでアキラは、かつて東京を崩壊させたエクスアームナンバーイレブンを装着した自分そっくりの『ベータ』と対峙する。アキラは、ベータこそが、全ての災いの根元であるのを強く感じる。

オークショニアと名乗る謎の人物によって、エクスアームのオークションが開催される。会場のメガフロートには、ナンバーイレブンを含むエクスアームを求め、世界中から闇の組織が次々集まってくる。アキラたち対策課は政府の要請で日本の闇社会のドン、仁國社を護衛しながらの潜入捜査に乗り出すが、仁國社は早くも組織同士の潰し合いに巻き込まれる。戦闘中に意識を失ったアキラが目覚めると、そこにはオークショニアがいる。

美波は、家族を亡くした事件に仁國社が関わっている事を知り、真相を求めてアルジャードの元へ。アルジャードもまた、仁國社に家族を奪われており、復讐の機会を狙っていた。仁國社を護衛する立場の美波はアルジャードと敵対するが、アルジャードの配下には、人工知能を書き換えられたアルマ、さらには死んだはずの弟、蒼真がいた。一方、近藤や実体化したユグたちもまた戦闘の最中。各地混乱する中、『ベータ』のアナウンスが響き渡る。

仁國社を人質にとったベータの呼びかけで、スタジアムに集められた対策課、アルジャード、武器商グエン、そしてナンバーイレブンを装着したオークショニア。それぞれの思惑が交錯する中、アキラはベータのネットワークに侵入し、ベータが自分と同じエクスアーム００であることを知る。仁國社を解放したアキラはスタジアムへ戻るが、日本国防軍の多脚戦車が投下され、対策課もろとも消そうと攻撃を仕掛けてくる。

復讐心に囚われていたアルジャードだが、最期は身を呈して美波を守り息絶える。アルマも元に戻り、ほっとしたのも束の間、エクスアーム保持者で未だ復讐心に囚われているソーマ、多脚戦車をも乗っ取ったベータがアキラたちの前に立ちはだかり、絶望的な局面に。そこへ、待ち望んでいたオーガが投入される。皆の協力で戦う力を得たアキラは、大切な人たちを守るため、戦う決意を新たにする。

圧倒的な力を見せるオーガだが、ベータはあらゆる機械を取り込んで巨大化し、対抗する。一方アルマは、ソーマとの戦いの中で、アンドロイドの範疇を超えた意志をのぞかせる。その頃、近藤たちは仁國社を連れ、島の外へと逃げのびていた。激しさを増すオーガとベータの戦いの中、オークショニアはアキラの兄である事を明かし、自らも関わったαとβが生まれた過去を語る。

再現なく巨大化していくベータを倒すには、脳核を攻撃しなくてはならず、苦戦を強いられるオーガ。オークショニアは命がけの作戦で脳核の位置を特定し、オーガはナンバーイレブンでベータを倒すことに成功する。対策課のメンバーと合流し、無事を喜び合うアキラ。しかし新たな災いの種はすぐそこまで迫っていた。

ついにβを倒し、生還したアキラ。しかし今度は東京全体が大規模なハッキングに襲われてしまう。原因を探るためにユグの分身たちとともにネットワークの世界に飛び込むアキラ。そこでネットワーク内の敵と死闘を繰り広げるが、その間にハッキングは世界中に広がってしまう。やがて乗っ取られた軍事基地から弾道ミサイルが次々に発射され、地球滅亡の危機が迫ったその時。愛する人類を救うために、アキラはある決意をする。