西暦2061年。経済政策の失敗や少子高齢化によって破綻した日本に対し、経済援助や治安維持を目的として「北米同盟」「大ユーラシア連邦」「アジア自由貿易協商」「オセアニア連合」の4つの世界主要経済圏が介入する。その結果、日本列島を舞台に勃発した「境界戦」と呼ばれる国境紛争を経て、日本の国土は4つに分割統治され、日本人は隷属国の人間として虐げられる生活を送っていた。また、日本は各経済圏によって投げ入れられた人型特殊機動兵器の「AMAIM（アメイン）」が闊歩する、世界の最前線ともなっていた。
オセアニア連合の支配地域に住む機械好きの少年・椎葉アモウは、AMAIMの残骸を漁って廃パーツを拾い集め、山の中に隠された廃工場で見つけたAMAIM 「ケンブ」を整備することを趣味として生活していたが、とある日に山の中に落ちていた「I-LeS（アイレス）」と呼ばれる自律思考型AIのガイに出会い、彼を助ける。ある日、AMAIMのパーツ漁りがオセアニア連合の軍人にばれてしまい、テロリストの疑いをかけられたアモウは、ガイの助力によって組み上げられたケンブに乗り込み、逃避行の末にレジスタンス組織「八咫烏」と合流。ケンブと同じく自律思考型AIを搭載したAMAIM「MAILeS（メイレス）」を駆る鉄塚ガシン、紫々部シオンたちとともに、もとの日本を取り戻そうと戦いに身を投じる決意を固める。
八咫烏に合流後、アモウは、ガシンがゴーストと呼ばれる所属不明のAMAIMを狙っていること、過去にゴーストがガシンの父を殺害したことを聞かされる。ほどなくしてそのゴーストがアモウたちの前に姿を表し、八咫烏は犠牲を払いながらも辛うじてゴーストを退けることに成功する。退却し自己修復と進化を果たしたゴーストは、次に北米同盟のブラッド・ワット率いる部隊と交戦し、隊員一人を殺害した後に隠岐の島へ逃走する。
辛酸を嘗めさせられたブラッドはゴーストの捕獲を企図し、八咫烏とゴーストを再び戦わせることでこれを成し遂げるべく、観光客を装いアモウたちに接触、ゴーストが隠岐の島にいることをリークする。アモウ、ガシン、シオンはこの策に乗って隠岐の島に向かい、ゴーストの弱点を突いて大破させることに成功するが、その際にゴーストの逃走を阻止したアモウは、ゴーストの爆発に巻き込まれて生死不明となる。そして、ゴーストの残骸は北米同盟の捜索隊により引き上げられ、ブラッドは目的を果たすとともに「次は私がお前を使う番だ」と不敵な笑みを浮かべるのであった。

ゴーストとの激闘から約8か月後の西暦2062年。AMAIM用自律思考型AIの開発にいち早く成功した北米同盟は、急速に日本国内での支配権を拡大させていた。アモウが欠けたガシンら「八咫烏」は、補給が滞りながらも必死の抵抗を続けていたが、北米同盟が避難民の中に紛れ込ませた内通者の手により、北米軍に囲まれて窮地に陥る。そこに、行方不明になっていたアモウとその乗機「ケンブ斬」および、ガイたち自律思考型AIを開発した企業「トライヴェクタ」代表の槙ミスズが合流したことで八咫烏は窮地を免れた。
八咫烏の一行は、ゴーストに搭載されたAIユニット「プロトタイプ・ゼロ」こそが自律思考型AIのプロトタイプであり、ガイたちはその開発結果をもとに作られた兄弟であること、八咫烏に助力していた「ブレンゾン社」が、トライヴェクタから貸し出されていたプロトタイプ・ゼロを無断利用してゴーストを作り上げたこと、ゴーストに関わる騒動はブレンゾン社の営業マンであるジェルマン・ゴベールが引き起こしていたことを知らされる。同じ頃、プロトタイプ・ゼロを手に入れたブラッドは自身専用の新型機「ブレイディファントム」を完成させ、目的を果たすためにジェルマンと組んで動き始めていた。
一方、北米同盟を除いた各経済圏は、日本政府を抱き込んでいる北米同盟に対抗するために、北陸地方を中心とした日本列島の一部を日本人に返還し、第二の日本政府とも言える「新日本協力機構」を設立することを模索しており、八咫烏の代表・宇堂キリュウに交渉を持ちかける。宇堂がこれを受け入れたことにより機構は発足に至り、北米同盟との停戦交渉が行われる運びとなったが、交渉の場で北米同盟のロイ・ウォーカー議員狙撃事件が発生したことにより、停戦交渉は中止され、事態は北米同盟と新日本協力機構との全面戦争に発展する。北米同盟軍は総司令のエドガー・フリーマンが来日し、大軍を動員。一方、新日本協力機構は八咫烏と各国軍による「新日本軍」を結成し、北米軍を迎え撃とうとしていた。
新日本軍は3機のMAILeSの活躍と各国軍の奮戦で北米軍と互角に戦うも、ブラッドのブレイディファントムの参戦、そしてゴーストベースのAIを搭載した無人機群の物量により北米軍側が有利となっていく。しかし、ミスズがI-LeSベースのAIを無人機へインストールして戦況を巻き返し、アモウも激戦の末にブラッドを撃破する。そして背任行為をしていた北米軍のジョウ・スピアーズや彼の協力者のジェルマンが拘束され、戦闘は終結する。日本を取り戻す戦いは終わってはいないものの、アモウやガシン、シオンはそれぞれの道を歩むことを決める。

時系列は本編第二部の北陸戦線後で、南海の孤島を舞台とする。レジスタンス組織「ヒヌカン」と、島を支配していたオセアニア軍を駆逐した北米同盟軍との戦いが描かれる。
隊長の安良城タケシやAMAIMパイロットの知念イブキ、女性隊員の成海マイらが所属する「ヒヌカン」は、孤島に攻め込んできた北米同盟のグレイディ・エリソン率いる部隊に追い詰められていたが、「ヒヌカン」の救援に歴戦の傭兵である三澤ジンが自身のMAILeS「プロトゴウヨウ」と共に合流し、ジンが手配していたMAILeS「ゴウヨウカスタム」も2機が孤島へと届けられる。ジンには過去の戦線で恋人を失った経験があり、その時の敵軍の指揮官がエリソンであった。
新戦力を手にした「ヒヌカン」、そしてイブキはI-LeSの「ヤマピ」の手を借りてエリソン隊を迎え撃つが、その際に敵の攻撃で安良城は戦死してしまう。一方、エリソンも部下のアーチー・ジョイスを亡くし、その場から撤退。戦闘は仕切り直しとなる。ジョイスの穴埋めのため、マシュー・ハーコートやシェリル・ナイトを招集したエリソンは、ジンや「ヒヌカン」との決着を付けるため出撃。ジンやイブキも最後の戦いに臨む覚悟を固めていた。
そして決戦でマシューを相手にしたイブキは、彼の自爆に巻き込まれるも辛うじて生存するが、ヤマピから降機を促され孤島から脱出する。また、部下のシェリルを撤退させたエリソンはついに望んでいたジンとの一騎打ちを行う。激闘の末にジンはエリソンを倒すものの、自身もその場で命を落とす。ジンの元へ向かったヤマピは彼の死を見届け、機能停止する。その後、イブキは新たな戦場に立ち、（別の）ヤマピとの再会を果たすのだった。