Umika é uma estudante muito gentil e tímida. Ela acha difícil falar com outras pessoas e sonha em um dia conhecer alguém de outro planeta. Mas sua solitária vida escolar toma um rumo cósmico quando ela conhece a nova aluna transferida chamada Yu, uma alienígena com poderes telepáticos! As duas se aproximam e prometem um dia irem ao espaço. É assim que elas decidem construir um foguete e disparar em direção às estrelas, fazendo novas amizades pelo caminho.

O ano é 5012. Uma súbita invasão de aliens e seus Seres Vivos Mecânicos quase exterminam a humanidade por completo. Os poucos sobreviventes se refugiam na Lua, organizando um contra-ataque para retomar o planeta, mas chegam a um impasse por conta da capacidade infinita de multiplicação dos Seres Vivos Mecânicos. Para vencer o impasse, a humanidade cria a YoRHa, uma unidade de soldados androides. 2B, uma androide, é enviada para a Terra para se encontrar com 9S e analisar os misteriosos fenômenos que lá encontram.