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で脳だけの姿になっていた。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、謎の兵器「EX-ARM」を狙う敵の攻撃を受け、大ピンチ！

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。戸惑いつつも都内で自爆テロ事件が次々に発生し、アキラもその原因を探る事に。そんな中、爆破テロ現場の側で小春という少女と出会い、小春もテロの犠牲になりそうに！アキラは対策課のメンバーと連携して、犯人を捜すのだった。

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。

ついにベータを倒し、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。