北海道への家族旅行の準備中、速杉ハヤトは父・ホクトが子どもの頃に描いた「超進化速度」や「長距離海底トンネル」などの夢が詰まったノートを見つける。父もまた鉄道好きであったことを確信する一方で、ノートの1ページが破り取られていることに不思議な感覚を抱く。
北海道に到着したハヤトは、スキー場で行われていたライブイベントで発音ミクと再会する。談笑の最中、突如ゴジラのような怪物体が出現し、ハヤトとホクトは北海道支部へ急行し、シンカリオンで出撃。しかし怪物体の放ったビームを受けて気を失ってしまう。
目を覚ましたハヤトは、ホクトの乗っていたはずの923ドクターイエローの運転席が無人だったこと、そして見知らぬ少年が現場付近で発見され、今は隣のベッドで眠っていることを知らされる。少年の素性を探る中で、彼がシンカリオン ALFA-Xの運転士適合者であり、さらに過去から来たホクトの幼少期の姿であることにハヤトは気づく。
大宮支部の出水シンペイからは、宇宙の巨大人工物が地球に接近しているとの報せを受ける。シンカリオン ALFA-Xはその脅威に対抗するために開発されていたが、技術的な壁により完成に至っていなかった。ところが、数か月前のトンネル掘削工事で「完成されたALFA-X」が発見され、起動データも何者かによって追記されていた。それは、ソウギョクの呼びかけに応じて帰還した「ヴァルハラン」と呼ばれる存在が、未来からALFA-Xを呼び寄せた結果であった。
少年ホクトはハヤトに、中学受験を控えながら鉄道好きでいることへの迷いを吐露。ハヤトの肯定により心を開き、ノートの破り取られた1ページに鉄道路線の夢を描いて手渡す。やがて未来で完成している青函トンネルの存在に気づいた少年ホクトは、元の時代へ戻るためALFA-Xに乗ることを決意する。
東京駅に出現した光の列車に対応するため出撃したハヤトと少年ホクトは、「光の粒子」により別次元へ転送されるが、すぐにオハネフによって呼び戻され、ナハネと対面する。ナハネは宣戦を布告し、ALFA-Xを操ってハヤトを攻撃。少年ホクトはノートを破り捨ててシンカリオンの存在を消そうとするが、ハヤトの説得で思いとどまり、ゲンブの救援によって窮地を脱する。
ナハネは光の列車をヴァルドルに変形させ、ALFA-Xを取り込んで東京駅に向かう。ハヤトは転送前に受け取った「光の粒子」の力でヴァルハランの本拠地上空にある光の集合体を破壊し、シンカリオン各機の帰還を成功させる。総攻撃を仕掛けるもヴァルドルには通用せず、そこへブラックシンカリオン オーガを駆るビャッコが到着。セイリュウのブラックシンカリオン 紅とのオーバークロス合体によりALFA-Xの奪還に成功する。
ALFA-XとE5はやぶさ MkIIもオーバークロス合体し、形勢は逆転するかに見えたが、ヴァルドルは依然として「光の粒子」によって守られ倒せない。そこでハヤトは、ルクスヴェテの助言を受け、「光の粒子」の性質を逆利用して暴走させる作戦を立案。最後はアルティメットグランクロスでヴァルドルを撃破する。
戦いが終わり、少年ホクトは元の時代へと帰還。ハヤトは大人のホクトと再会を果たす。傍らには、少年ホクトが描いた夢の詰まったノートの1ページが残されていた。
