第1期
1972年、アポロ計画の最中に月で地球と火星を繋ぐ古代文明の遺産「ハイパーゲート」が発見された。地球はレイレガリア(CV: 小川真司)博士を中心とする調査団を火星に派遣する。その後、火星で古代火星文明のテクノロジー「アルドノア」が発見され、火星側の独占の主張と地球側の共有化の主張が対立し、徐々に火星と地球との軋轢が増加していった。
1985年、レイレガリア博士は自らを皇帝と称し、火星に「ヴァース帝国」を建国。1999年、新皇帝となったレイレガリアの息子、ギルゼリアが地球へ宣戦を布告する。しかし、突如ハイパーゲートが暴走を起こし月が砕ける大惨事「ヘブンズ・フォール」が発生。ギルゼリアの戦死も伴い、2000年に地球と火星間で休戦が結ばれた。この時の教訓から地球側は火星軍との交戦を想定して、人型機動兵器「カタフラクト」の操縦・戦闘技術を義務教育として指導することを決定する。
2014年、休戦から10年以上が経った現在も地球側と火星側の和平交渉が進められていた。その一環でヴァ―スから地球へ親善大使が訪れることとなる。物語は、その役目を担う火星の皇女であるアセイラム(CV: 雨宮天)・ヴァース・アリューシア(CV: 雨宮天)が、彼女を敬愛する少年スレイン(CV: 小野賢章)・トロイヤード(CV: 小野賢章)の二人が地球について語るところから始まる。
アセイラムの歓迎パレードが行われる日、日本の新芦原(しんあわら)市に暮らす界塚 伊奈帆も、その教育を受ける一介の高校生であり、いつも通り、級友と合流して学校へ向かっていた。
放課後、伊奈帆は級友と共に新芦原市で行われるアセイラムのパレードの手伝いをさせられる。だが、そのパレードはテロリストによる襲撃を受け、彼女は生死不明となる。火星側はこれを地球による宣戦布告と判断して休戦協定を破棄し、地球の衛星軌道上に駐屯していた火星騎士の軍勢が地球へと降下、世界各国に攻撃を開始する。
様々な経緯を経て、アセイラムの生存を知り、彼女を保護することとなった伊奈帆は、襲い来る火星騎士たちを迎撃しつつ、彼女と共にロシアの地球連合本部を目指す。一方、アセイラムの生存を知ったスレインは、そのことを皇帝レイレガリアに報告して戦争を止めようとするが、皇帝一族の抹殺を目論む火星騎士の一人・ザーツバルム(CV: 大川透)に全て見抜かれており、逆に状況は悪化してしまう。そしてザーツバルムは、スレインの行動を受けて休戦を申し入れようとしたクルーテオ(CV: 速水奨)を始末し、地球連合軍との決戦に打って出る。
そして、アセイラムはザーツバルムに撃たれ、それを目撃したスレインがザーツバルムへ発砲。その後、お互いに銃を向けたのちスレインは伊奈帆へ引き金を引き、伊奈帆とアセイラムが生死不明という結末で第1期の幕は閉じる。
第2期
第2期は、地球連合本部での戦闘から19ヵ月(1年7ヵ月)経ったある日から始まる。ザーツバルムの揚陸城で生死不明となったアセイラムは生還を果たしており、火星騎士を煽動する演説を行い、火星と地球の戦争状態は未だ継続していた。それは、アセイラムの異母妹であるレムリナ(CV: 夏川椎菜)・ヴァース・エンヴァース(CV: 夏川椎菜)を利用した火星側のプロパガンダであり、その傍らには火星騎士となったスレインと、彼によって命を救われたザーツバルムの姿もあった。そして本物のアセイラムはスレインによって保護され、生命維持装置に繋がれていつ目覚めるともしれない眠りについていた。
一方で地球側では、宇宙での作戦のためにデューカリオンの発進準備が進められていた。そんな中、火星騎士の一人、ヤーコイム(CV: 興津和幸)がノヴォスタリスク基地を襲撃する。彼のカタフラクトの能力に地球のカタフラクト隊が苦戦する中、揚陸城での決戦で瀕死の重傷を負っていた伊奈帆が復帰し、的確な戦術でヤーコイムを撃破する。その2日後、デューカリオンは伊奈帆たちを乗せて宇宙へと旅立ち、サテライト・ベルト内にあるヴァース帝国軍の基地・マリネロス基地を攻撃するため、地球連合軍のトライデント基地へ入港。その戦場で伊奈帆とスレインは再び邂逅する。