鉄道ファンの小学生・速杉ハヤトは、父・速杉ホクトとともに東京駅から東北新幹線に乗るが、ホクトは勤務先の鉄道博物館から急な呼び出しを受け、新幹線を下車して博物館へ向かう。ハヤトはホクトがIDカードを忘れていることに気づき、後を追う中で鉄道博物館の地下に迷い込み、特務機関『新幹線超進化研究所』の大宮支部にたどり着く。ホクトは指令長・出水シンペイとともに巨大怪物体への対応に追われていたが、その様子を覗き見ていたハヤトは、車掌型ロボット・シャショットに見つかり騒動となる。しかし、その過程でハヤトがシンカリオン運転士適合者であることが判明し、ハヤトはシンカリオン E5はやぶさに乗り込むことになる。
ハヤトは、同じ運転士の男鹿アキタ・大門山ツラヌキ・清洲リュウジらとともに巨大怪物体と戦い続ける中で、巨大怪物体を操っているのがキトラルザスという種族であることが明らかになる。キトラルザスにはビャッコ、ゲンブ、セイリュウ、スザクの4人のエージェントがおり、特にセイリュウのブラックシンカリオンとの戦いは激しさを増していったが、ハヤトとセイリュウは次第に対話の可能性を模索するようになる。
しかし、キトラルザス内では、現代のエージェントが模索する対話路線とは異なる思想を持つ旧時代のエージェント、カイレンらが帰還しつつあった。これに焦ったビャッコが失態を犯し、制裁を受ける。さらに、ソウギョクの計略によりゲンブが利用され、同胞2人を失ったセイリュウは怒りに満ち、ハヤトとの対立を煽られる。激しい戦いの末、ハヤトが勝利し、敗れたセイリュウはソウギョクへの疑念からキトラルザスに戻らず、人間界を放浪する。その後、旧時代のエージェントが差し向けたクレアツルスとの戦いに苦戦するハヤトたちを救援し、この一件でセイリュウは「反逆者」とされ、大宮支部のシンカリオン運転士となる。
セイリュウが加わった大宮支部は、キトラルザスを束ねるイザとの直接対話を試みるが、カイレンの妨害を受ける。激戦の末にカイレンを退けたものの、限界を超えた運用によりE5はやぶさとシャショットは機能を停止する。イザは、超進化研究所の創設者でありシンカリオン開発者の八代イサブロウであることを明かし、未来の希望をハヤトに託し、シンカリオン E5はやぶさ MkIIを授ける。
その頃、カイレンとソウギョクは地上への宣戦布告を行い、侵攻を開始する。地上に残ったシンカリオン各機が迎撃を試みるが、真の姿を現したカイレンに苦戦する。しかし、新たな力を得たハヤトが帰還すると戦況は一転し、カイレンは倒される。
カイレンとの戦いが終わり、セイリュウとスザクは人間界で生活するようになるが、ソウギョクはキトラルザスの一員であるキリンと接触する。ソウギョクとキリンは異なる思惑を持ちながらも協力し、運転士適合率を推測する力を持つハヤトの幼馴染・上田アズサに接触を試みる。しかし、ソウギョクの真意が明らかになると関係は破綻し、キリンはアズサに協力を依頼するが拒否され、ブラックシンカリオン オーガに乗り込んで東京都庁へと移動し、日本政府との交渉を要求する。シンカリオンの存在が一般に明らかになり、不安や疑念が広がる中、アズサがシンカリオンの動画を公開し、世間の支持と協力を得ることに成功する。
スザクは、ルクスヴェテの活性化によって復活したビャッコ・ゲンブと協力し、名古屋支部からキリンへの直通線路を作り、シンカリオン各機の一斉攻撃によってキリンは倒される。
