鐵道博物館、京都鐵道博物館、磁浮·鐵道館的地下深處潛藏著特務機關「新幹線超進化研究所」。該研究所為了從「黑色新幹線」誕生出的巨型怪物體手中守護日本，開發出了「新幹線變形機器人」，只有讓與新幹線變形機器人合適率較高的孩子們駕駛，才能發揮出機體最大的力量打退強敵，而「黑色新幹線」目的是什麼，孩子們能否守護好日本的未來!?變形！新幹線變形機器人！
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機體介紹
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- 高度：26.5 m
- 重量：100 t
- 駕駛：速杉隼人
- 全能型的新幹線戰士。使用武器為「閘口斬擊劍」，必殺技為「金色能量炮」，腳部配備推進器，使其能夠高速移動。新幹線模式為新幹線E5系。初次登場於第1話。
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- 高度：27.5 m
- 重量：125 t
- 駕駛：速杉隼人
- 新幹線戰士E5隼號的後繼機，是針對合適率100％以上的駕駛員所開發的機體。使用武器為「閘口刀」，必殺技為「雙重金色能量炮」。新幹線模式同樣為新幹線E5系。初次登場於第61話片尾，正式登場於第64話。
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- 高度：25 m
- 重量：95 t
- 駕駛：男鹿秋田
- 速度型的新幹線戰士。使用武器為「平交道射擊槍」，必殺技為「平交道大炮」。新幹線模式為新幹線E6系。初次登場於第1話，正式登場於第4話。
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- 高度：26 m
- 重量：110 t
- 駕駛：大門山貫
- 力量型的新幹線戰士。使用武器為「車輪金鋼鑽」，第37話起必殺技為「車輪金鋼鑽 力量/強力模式」。新幹線模式為新幹線E7系。初次登場於第1話，正式登場於第5話。
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- 高度：25 m
- 重量：95 t
- 駕駛：月山忍
- 使用武器為遠近兩用的紅色「欄杆手裏劍」，可變化為近距離攻擊的「苦無模式（クナイモード）」和遠距攻擊的「手裏劍模式（シュリケンモード）」。新幹線模式為新幹線E3系1000番台。在原著中稱為「新幹線戰士E3翼號火焰飛翼（シンカリオン E3 つばさ フレアウィング，暫譯）」。初次登場於第10話。
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- 高度：26.5 m
- 重量：100 t
- 駕駛：清洲龍司（54話起改為清洲辰巳）
- 適合近距離攻擊。必殺技為「飛天雙重刺」。新幹線模式為新幹線N700系1000番台（N700A）。初次登場於第12話。
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- 高度：26.5 m
- 重量：100 t
- 駕駛：發音未來
- 必殺技為「閘口斬擊劍」。特點是加裝了「夕張加熱系統」。新幹線模式為新幹線H5系。初次登場於第15話。
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- 高度：26.5 m
- 重量：95 t
- 駕駛：大空零
- 唯一能夠飛行的新幹線戰士。必殺技為「集電弓箭」。特點是配備了「燕翼」和「副翼」2種翅膀。新幹線模式為新幹線800系1000番台（新800系）U007編組。初次登場於第21話。
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- 高度：27 m
- 重量：120 t
- 駕駛：速杉北斗
- 特別為成年駕駛員開發的新幹線戰士。使用武器為「信號機矛槍」，必殺技為「飛彈防護盾」。新幹線模式為新幹線500系7000番台。初次登場於第23話。
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- 高度：28.5 m
- 重量：123 t
- 駕駛：碇真嗣
- 使用武器為「信號機矛槍」和「飛彈防護盾」。外型類似新世紀福音戰士裡的EVA 初號機。新幹線模式為新幹線500系7000番台V2編成。在原著中為新幹線超進化研究所與特務機關NERV共同緊急開發的新幹線戰士。第31話登場。
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- 高度：19 m
- 重量：45 t
- 駕駛：五橋城
- 特指下面3機新幹線戰士，由京都分部與門司分部共同開發，外型相較於其他新幹線戰士矮小，每機只由一節車廂變形而成。可進行特殊的合體方式「三重合體」。設定中可變形成推進器加掛於其他新幹線戰士背上，稱為「巨型推進器模式」（ギガブースターモード，暫譯）。必殺技為「進化劍」。新幹線模式為新幹線700系3000番台。初次登場於第34話。
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- 高度：19 m
- 重量：45 t
- 駕駛：五橋銀
- 必殺技為「燈號槍」。新幹線模式為新幹線700系7000番台。初次登場於第34話。
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- 高度：19 m
- 重量：45 t
- 駕駛：霧島高虎
- 必殺技為「動輪鎚」。新幹線模式為新幹線N700系7000番台。初次登場第34話。
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- 高度：35 m
- 重量：255 t
- 駕駛：清洲龍司
- 使用武器為能夠變形的「鐳射武器（レーザーウェポン）」，透過槍型的「鐳射爆能槍」和劍型的「鐳射激光劍」兩種型態的變化，能夠對付各式各樣的敵人。配備「檢測鐳射防護盾」以及「鐳射掃描」。新幹線模式為新幹線923形T4編組。初次登場於第36話，正式登場於第38話。
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- 高度：25 m
- 重量：95 t
- 駕駛：月山忍
- 特製的臨時替代用新幹線戰士，當一台新幹線戰士因故無法出動時，其駕駛員可暫時使用此機。原本計劃作為駕駛員們的聖誕禮物，因虎目之戰而提前登場。使用武器為綠色的「欄杆手裏劍」必殺技為巨大化的「真 欄杆手裏劍」。新幹線模式為新幹線E3系1000番台的舊塗裝版本。在原著中為火焰飛翼的兄弟機。初次登場於第49話。
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- 高度：26.5 m
- 重量：100 t
- 駕駛：速杉北斗
- 使用武器為「鐵軌槍」（レールガン，暫譯）和「電車線刀」（トロリブレード，暫譯）新幹線模式與黃醫生號同樣為新幹線923形T4編組，但是完全不同的機體，二機間並無直接關連。初次登場於第72話片尾，正式登場於第73話。
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- 高度：26.5 m
- 重量：100 t
- 駕駛：青龍
- 新幹線模式為黑色新幹線。使用武器為「暗黑閘口斬擊劍」、「暗黑平交道射擊槍」、「暗黑車輪金鋼鑽」、「暗黑欄杆手裏劍」，必殺技為「死亡能量炮」。 初次登場於第5話片頭，正式登場於第18話。 第53話起由新幹線超進化研究所大宮分部暫時保管，第55話起正式加入大宮分部。
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- 高度：26.5 m
- 重量：100 t
- 駕駛：青龍
- 第55話車長寶進入黑色新幹線戰士後使其進化產生的全新型態。使用武器為「超級黑暗閘口斬擊劍」，必殺技為「死亡能量炮」。特點為速度增快為原本的三倍。新幹線模式為沒有黑色粒子包覆的黑色新幹線。初次登場於第55話。
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