為了自未知的巨大怪物體的威脅下守護日本的和平與安全，新幹線超進化研究所開發了「新幹線變形機器人」。超進化研究所為了防備全新敵人的來襲，進一步地秘密開發了新型機體「新幹線變形機器人Z」以及由在來線變形成的全新武裝強化車種「在來線超武裝列車」。具有高合適率的「新幹線變形機器人Z」駕駛員們將會和超進化研究所成員們合作，再次一同迎擊全新的巨大怪物體！ 未知的敵人出現，此時兩位少年相遇了。 新幹線變形機器人又更進一步的進化開始了！！！