2019年，现代科技高度发达，机器人普及到人类世界的方方面面。中央种子岛高中机器人部，是一个只有两个人的小团体，痴迷于掌上游戏的八汐海翔（木村良平饰）和超级喜欢机器人的部长濑乃宫秋穗（南条爱乃饰），面临因人数过少而废部的局面。小秋梦想带着本部最大的梦想——等高大小的机器人GUNVARL参加来年举行的东京市博会。为了顺利征得经费，机器人部必须在ROBO-ONE大赛上取得优胜。峰回路转、紧张刺激的比赛后，机器人部顺利存活，还吸纳了在机械方面拥有极高天赋的日高昴（细谷佳正饰）入部。巨型机器人的建造有条不紊地进行着，瑰丽的梦想恣意绽放，而阴谋的黑影也悄悄笼罩种子岛，这一切全与九年前的事件息息相关……本片根据志仓千代丸的原作改编。

遥远的未来，地球一度变成冰冻星球。幸存的人类移民外太空，建立了繁荣的殖民星球阿瓦隆，并与外星人成立人类银河联盟。与此同时，名为希迪尔斯的异形肆虐繁殖，与联盟展开旷日持久的战争。在一次针对希迪尔斯母星的战役中，年仅16岁的少尉雷德（石川界人配音）所在部队遭遇猛烈抵抗。撤退途中，雷德不慎被卷入时空裂缝，与他所驾驶的歼灭兵器钱伯坠落在地球的汪洋中。钱伯被人类打捞到加尔刚蒂亚舰团之上，面对这个与印象中完全不同的人类发源之星，雷德不知所措。在此期间，他和可爱的少女艾米（金元寿子配音）沟通交流，并成功帮助他们挫败海盗的进攻，赢得地球人的信任。由于无法联系到友军，雷德只能暂时留在地球。自幼只知道战斗和服从命令的他，面对这群全无纪律和效率可言的人类，心中最深层的情感慢慢苏醒……