21世紀，人類開始具備探索與開發宇宙的能力，但隨之而來的卻是被稱為宇宙怪獸（STMC/Space Terrible Monster Crowd）的生物威脅。這些生物以恆星為繁殖載體，對人類文明造成了巨大危機。為了應對這些威脅，人類開發了名為Buster機組（Buster Machine）的機甲兵器，其中最強的決戰兵器便是「GunBuster」（鋼巴斯達）。
在與宇宙怪獸的戰鬥中，高屋勇造艦長所乘的「Luxion」號失去了聯絡，其女兒高屋法子立志成為宇宙飛船駕駛員，並進入位於沖繩的沖繩女子宇宙高等學校接受訓練。然而，法子在學校中唯一的優勢是體力，在機甲操縱技巧上卻表現不佳。經過教練太田宏一郎的嚴格訓練、面對同學的嫉妒與捉弄，以及與心中憧憬的「姊姊」天野和美的互動，法子逐漸從一個缺乏自信的學生成長為堅毅不屈的駕駛員。在畢業後，法子成為了駕駛員候補生，前往宇宙戰場。
法子在戰鬥中遇見了對手榮格·佛洛伊德（ユング・フロイト），並在時間膨脹效應的影響下，與父親所乘的「Luxion」號相遇。然而，由於和美對法子的技術有所懷疑，解除了兩人的搭檔關係。受到打擊的法子在這時與男駕駛員史密斯·托倫（スミス・トーレン）建立了親密關係，然而史密斯在隨後的「Leaf 64會戰」中犧牲，這使法子陷入了強烈的自責與心理創傷中。同時，宇宙怪獸成功突破防線侵入太陽系，導致「火星周邊會戰」的局勢陷入危機。就在和美與榮格等人面臨生死存亡之際，法子終於振作起來，駕駛尚未完成的GunBuster，展開了艱難的反擊，成功扭轉了戰局。
隨後，法子與和美成為了肩負人類未來的GunBuster正式駕駛員，參與了「太陽系絕對防衛戰」等重要戰鬥。隨著時間膨脹效應的影響，和美與留在地球身患宇宙輻射病的太田教練之間的戀情愈發苦澀。人類最終決定實行卡爾內阿德斯計劃，準備以黑洞炸彈「Buster機組3號」一舉消滅位於銀河系中心的宇宙怪獸老巢。在「太陽系絕對防衛戰」後，和美與太田教練結婚。然而，和美依然主動請纓參與最終決戰，與Buster機組3號一同出發。在先行出發的Eltreum號戰艦內，和美時隔十五年與法子重逢，共赴最後的任務。
在決定人類命運的最終決戰中，地球軍以巨大代價為Buster機組3號的內爆爭取時間。然而，由於遭到宇宙怪獸的攻擊，Buster機組3號受損，內爆失敗。法子提議引爆Buster機組1號的縮退爐以再次啟動內爆，並在未經艦長批准的情況下，孤身前往Buster機組3號。和美強行與法子合體，共同駕駛GunBuster突入Buster機組3號內部。榮格也隨之來到，但在法子與和美的勸說下，榮格撤離並約定好將來迎接二人歸來。最終，二人利用GunBuster的縮退爐成功啟動內爆，然而她們也被捲入其中。在歷經艱難脫離事件視界後，二人卻發現已經與地球產生了12000年的時間差。當藍色地球再次映入眼簾時，死寂的景象讓她們一度絕望，但此時地球上突然亮起了迎接英雄歸來的標語「歡迎回家」（オカエリナサイ，其中「イ」字反轉，顯示12000年後的地球人已經忘記了日語）。法子與和美喜極而泣，向已殘破的GunBuster告別，緩緩降落地球。
