前作から12,000年後の、遠い未来の太陽系。人類は「宇宙怪獣」と呼ばれる存在と戦い続けており、その戦力となるのが「バスターマシン」と総称される兵器群と、「超・能力」でそれを動かす「トップレス」と呼ばれる少年少女たちだった。
バスターマシン19号機「ディスヌフ」を駆り、撃墜王として最前線で戦う少女ラルクは、アンドロイドの少女ノノと出会う。ノノは「ノノリリ」に憧れ宇宙パイロットを目指しており、生身で小型宇宙怪獣を倒すほど型破りな存在だったが、バスターマシンを動かす才能は未知数だった。
新型バスターマシンのパイロット争い、土星の衛星タイタンでの謎の変動重力源の発掘、冥王星への旅、そして宇宙怪獣との戦いの日々の中で、物語は核心へと進む。
やがて明らかになる衝撃の真実——人類が長年「宇宙怪獣」と戦っていると思っていた相手は、過去の人類が創り出した無人のバスターマシン群「バスター軍団」だった。本物の宇宙怪獣はすでに太陽系から駆逐され、残ったバスター軍団が進化し、トップレスの力を敵と誤認して戦い続けていたのだった。
本物の宇宙怪獣の出現により次々とトップレスたちが戦死する中、ノノは自分こそが決戦兵器「バスターマシン7号」であることを思い出し、覚醒。ラルクの危機に駆けつけたノノはバスター軍団を指揮し、本物の宇宙怪獣を打ち倒す。
だが、人類はノノを異端視し、彼女は孤立。さらに最大の敵「エグゼリオ変動重力源」が出現し、人類は地球ごと敵を倒そうとする。ノノは地球を守るためラルクと対立し、孤独な戦いに挑む。
最終的にはラルクとディスヌフの奮闘により地球は救われるが、ノノはエグゼリオの特異点を持ち去り、人類のもとを去った。
物語は、ノノが憧れ続けた「ノノリリ」の帰還をラルクが待つ場面で締めくくられる。