為了守護日本免於神秘巨大怪物體的威脅，新幹線超進化研究所開發出能與新幹線列車融合的「新幹線變形機器人」。隨著新型敵人的現身，研究所進一步秘密研發了新世代機體「新幹線變形機器人Z」，以及由在來線列車變形而成、具備強大火力的「在來線超武裝列車」。 擁有高適合率的駕駛員少年們，將與研究所成員聯手，再次面對未知強敵！ 隨著神秘敵人登場，兩位少年命運般的相遇也揭開序幕——新幹線變形機器人，即將邁向全新的進化！
