人類が宇宙に進出するようになった21世紀初頭、人類は「宇宙怪獣」と通称される正体不明の宇宙生物群 (STMC) の脅威にさらされていた。その脅威に打ち勝つため、地球はマシーン兵器の最強型決戦兵器であるバスターマシン「ガンバスター」の建造を進めていた。
宇宙怪獣との遭遇で消息不明となった「るくしおん」艦隊艦長タカヤ・ユウゾウの娘タカヤ・ノリコは、沖縄に所在する宇宙パイロット養成学校、沖縄女子宇宙高等学校に通い、父を探しにゆくことを夢見て宇宙パイロットを目指していた。しかし、ノリコはずば抜けた体力だけが唯一の取り柄でマシーン兵器の操縦はからっきしな劣等生だった。彼女の特別な才能を見出したコーチことオオタ・コウイチロウによる厳しい特訓や、同級生による嫉妬やいじめ、憧れの「お姉様」であるアマノ・カズミとの交流といった経験を経て、自信の持てない落ちこぼれであったノリコは努力や根性によってその才能を開花させていく。そして学校の卒業を待たずしてパイロット候補生となり、戦場である宇宙へと旅立つことになる。
ライバルとなるユング・フロイトとの出会いや、ウラシマ効果で遭難直後の姿のまま漂流していた父の乗艦との遭遇といった出来事を挟みつつも、物語は宇宙怪獣との戦いへと移っていく。ノリコの未熟さを懸念したカズミからコンビ解消を言い渡されたショックを引きずっていたノリコは、ひょんなことから親しくなった男性パイロット、スミス・トーレンと心を通わせ新たにパートナー同士となるが、スミスは「リーフ64会戦」の戦闘で帰らぬ人となる。初めての戦闘で何もできないままスミスを失った失意とトラウマで戦えなくなったノリコをよそに、宇宙怪獣に太陽系への侵入を許したことにより始まった「火星沖会戦」の戦況は絶望的なものとなっていく。共に戦うカズミやユングも追い詰められていくが、辛うじて迷いを振り切ったノリコは未完成の状態にあった人類側の切り札ガンバスターに搭乗して出撃、死闘の末に不利な戦況を覆し宇宙怪獣に一矢報いることに成功する。
ノリコとカズミは人類の未来を担うガンバスターの正式なパイロットとして「太陽系絶対防衛戦」など二人一組での戦いを続けていく。ウラシマ効果でずれていく地球との時間差を織り込みつつ、宇宙で戦うカズミと宇宙放射線病に冒されたコーチとの恋愛模様や苦悩も描かれる。やがて宇宙怪獣の殲滅を決意した人類は、宇宙怪獣の本拠地である銀河系の中心いて座A*をブラックホール爆弾「バスターマシン3号」を用いて丸ごと消滅させる「カルネアデス計画」を実行する。太陽系絶対防衛戦後にコーチと結ばれ、沖女のコーチとなっていたカズミも15年のブランクを経て最終決戦に志願し、バスターマシン3号と共に遅れて出立。カズミは先行していたエルトリウム内でノリコと久方ぶりの再会を果たし、共に最後の任務に臨む。
地球人類の存亡を賭けた最終決戦において、人類側は大破・轟沈1,700隻、中破4,500隻、未帰還機28,800機の多大な犠牲を払いつつバスターマシン3号の爆縮開始までの時間を稼ぐが、宇宙怪獣の攻撃により傷ついたバスターマシン3号は質量不足に陥り、爆縮は失敗してしまう。ノリコはバスターマシン1号の縮退炉を誘爆させてバスターマシン3号の爆縮を再起動する事を提案し、タシロ艦長の了承を得ぬまま単身バスターマシン3号に突撃する。バスターマシン2号に搭乗するカズミはバスターマシン1号との強制合体を行い、ノリコと共にガンバスターにてバスターマシン3号内に侵入する。ユングも二人の後を追いバスターマシン3号内に突入するが、ノリコとカズミに説得され、地球に戻った二人に「おかえりなさい」と歓待する事を約束し、バスターマシン3号を後にする。ガンバスターの縮退炉により再起動したバスターマシン3号の爆縮により生じたブラックホールに、ノリコとカズミは巻き込まれてしまう。事象の地平面をかろうじて振り切るものの、超重力の影響により地球では既に12,000年もの膨大な月日が流れ去っていた。明かりのない地球を目の当たりにした二人は人類の存続を半ば絶望視するが、まもなく地球の表面には永劫の時を超えて帰還した英雄を歓迎するためのメッセージ「オカエリナサイ」が映し出された。二人は歓喜の涙と共に損壊したガンバスターに別れを告げ、地球へと降下していった。
