ネットワークゲーム「ガンプラバトル・ネクサスオンライン」 (GBN) が人気を博す世界。主人公のミカミ・リクは、GBN王者のクジョウ・キョウヤとそのライバル、ロンメルによるガンプラバトルを目の当たりにしたことから、GBNに魅了される。親友のユッキーことヒダカ・ユキオや同級生のヤシロ・モモカとともにGBNのプレイヤー「ダイバー」となったリクは、愛機のガンダムダブルオーダイバーを駆り、GBNでしか会えない謎の少女サラ、打倒キョウヤを目指す鬼人オーガ、徒手格闘を極めんとする人狼の格闘家タイガーウルフ、くノ一姿の少女アヤメ、凄腕ガンプラビルダーの妖狐シャフリヤールなど、さまざまな人物との出会いや冒険を経験する。やがて、リクたちは自分たちのフォース「ビルドダイバーズ」を結成し、仲間たちとともにガンプラを楽しみ、そして切磋琢磨するために活動を開始する。
一方、GBN内では不正ツール「ブレイクデカール」によってガンプラの性能を引き上げ一般ダイバーに妨害行為を働く「マスダイバー」が蔓延しており、運営側でも対処しきれない事態が発生していた。キョウヤは有志を募ってマスダイバーの撲滅に乗り出し、ついにその元凶を突き止める。ダブルオーダイバーから発現した超常的な力によって元凶のガンプラは倒され、GBNの事態は収拾に向かうが、ブレイクデカールを作り出した黒幕であるシバ・ツカサはリクを名指しで呼び出し、仮想世界ではなく現実世界でガンプラを動かして戦う「GPデュエル(GPD)」での勝負を申し入れる。データ上だけでなく実際にガンプラが損傷するGPDこそがガンプラバトルの真の姿と信じるツカサは、GBNを欺瞞に満ちた世界だとして崩壊をもくろんでいた。リクはツカサの思いを受け止めつつ、GBNもガンプラを愛する者が集う場所だと強く訴え、ダブルオーダイバーの大破と引き換えに辛勝する。
戦いを経てガンプラやGBNへの想いをさらに強くしたリクは、ダブルオーダイバーの魂を引き継ぐガンダムダブルオースカイを完成させ、キョウヤやロンメルでさえクリアできなかった難関ミッション「ロータスチャレンジ」を初めて攻略する。これをきっかけに「ビルドダイバーズ」はGBN内で大きな注目を集め、上位ランカーたちもその成長に大きな関心を示ようになる。
そのころ、GBN内ではブレイクデカールとは違う新たなバグが発生し始め、放置しておけばGBN全体を崩壊させるほどの危険なものであることが明らかになる。運営側の調査の結果、発生源はサラであることと、彼女はGBNの余剰データが集まって形成された電子生命体「ELダイバー」であることが判明する。運営側の統括責任者であるゲームマスターは、サラを消滅させてバグを消去する修正パッチの作成に取りかかると同時に、彼女を危険な存在として全プレイヤーに通知する。「ビルドダイバーズ」はサラを救うために奔走し、メンバーの一員であるコーイチの発案により、サラの意識をGPD用の実機にサルベージするという作戦を実行に移す。しかし、その成功率は多く見積もっても12パーセントに過ぎず、失敗すればGBNを崩壊させかねないため、キョウヤたち有志連合やゲームマスターは難色を示す。
それでもリクたちはわずかな可能性にかけ、サラを軟禁している有志連合に「自分たちがサラの奪還に成功した場合には、サルベージ計画を実行させる」という条件で、彼我戦力差1対1万以上という圧倒的不利を承知で決戦を挑む。フォースを抜けて助っ人に参加したマギーやタイガーウルフ、本気で戦いたいと思いあえて連合側に回ったシャフリヤール、そして土壇場で参戦したオーガ率いるフォース「百鬼」の援護を得てリクたちはサラの奪還に成功するが、帰還直後に残っていたバグが集結してレイドボスとの融合や凶暴化を経てタワーに立てこもるという、緊急事態が発生する。「ビルドダイバーズ」はサラの救出に加えてGBNの雌雄を決するため、バグとの最終決戦に挑む。
バグに圧倒的な戦闘力と無限の再生能力、さらには膨大な複製能力まで駆使された結果、「ビルドダイバーズ」は再び窮地に追い込まれる。そこに、サラを救おうとするリクたちに心を動かされたダイバーたちが次々と援護に現れ、さらにはゲームマスター率いる運営陣もサラを救うために立ち上がり、激戦の末に勝利した「ビルドダイバーズ」はサルベージに挑む。サラは膨大な情報量に呑まれかけるが、仲間たちの想いに応えるためにこれを乗り越え、ついに現実世界にサルベージされる。
後日、現実世界での自身の体「モビルドールサラ」を得たサラと「ビルドダイバーズ」は、「もっと多くのことを知るべく皆で新しい世界を行こう」というリクによる提案のもと、新たな世界へ向かっていく。