西暦2009年2月、地球人類と異星巨人種族「ゼントラーディ」とのファースト・コンタクトを機に第一次星間大戦が勃発した。1年あまりにわたる戦いは、地球を死の星へと変貌させ、そこに住まう生命の大半を死滅に追いやった。アイドル歌手リン・ミンメイの貢献により決戦に勝利した人類は、文化に共鳴する一部のゼントラーディ人とともに新統合政府を樹立し、荒廃した地球環境の再生を目指した。また、星間戦争の再発に備え、全宇宙への種の保存・拡散を目的とした「銀河播種計画」を立案。巨大な居住艦を中心に大規模移民船団が次々と結成され、人の住める惑星を探して銀河の方々へと旅立っていった。
西暦2059年。旗艦アイランド1を中心に大小数千隻もの宇宙船で構成された第25次新マクロス級移民船団「マクロス・フロンティア」は、1,000万人規模の居住民を乗せて銀河の中心を目指す航海のなかにあった。ある日、近隣宙域を航行中の第21次新マクロス級移民船団「マクロス・ギャラクシー」より、トップシンガー「シェリル・ノーム」がコンサートツアーのためフロンティアに来訪する。美星学園航宙科の高校生「早乙女アルト」はステージ演出のエア・アクロバットに参加し、観客の少女「ランカ・リー」と出会う。
シェリルのコンサートに人々が熱狂しているころ、謎の地球外生命体「バジュラ」がフロンティアへと迫っていた。新統合軍の迎撃が奏効せぬ事態を受けて、フロンティア行政府は民間軍事プロバイダー「S.M.S」に出動を要請。最新鋭可変戦闘機「VF-25」を擁するスカル小隊が迎撃に向かうが、バジュラはついにアイランド1居住区にまで侵入し破壊の限りを尽くす。混乱のなか、アルトは目の前でバジュラに殺されたパイロットに代わりVF-25に搭乗。逃げ遅れたランカを救ったのち、S.M.Sに入り、スカル小隊に配属される。ランカはシェリルと出会い、アルトの後押しを受けて歌手への道を歩みだし、コンサートでのアクシデントをきっかけにアルトと知り合ったシェリルは、自分を特別扱いしないアルトに興味を抱く。
バジュラと人類の戦いは熾烈を極め、平穏なフロンティア社会は戦時下の不安に覆われていく。その裏ではバジュラの持つ力や資源を利用して銀河の覇権を握ろうとする者たちによるさまざまな思惑が絡みあっていた。戦いのなか、ランカの歌がバジュラの行動に影響を与えることが判明し、彼女は希望の歌姫として祭り上げられる。ランカは母親の胎内でバジュラ由来のV型感染症に感染しており、病原菌と共生関係にあることでバジュラと断片的なコミュニケーションが行えたのだった。一方で、シェリルはランカの力を利用しようとするギャラクシー船団上層部に見捨てられ、幼少期にバジュラとの接触をもくろむギャラクシー側に人為的に感染させられたV型感染症の病状が悪化し、死の淵に瀕する。
ランカの歌の力を借りてバジュラの勢力圏から脱したフロンティア船団だったが、艦内に入り込んでいたバジュラの幼生が大量発生し、船団は航行の継続が困難になるほどの大打撃を受け、数多くの人命が失われる。記憶を取り戻しはじめ、自身がバジュラと重大な関わりがあることに気づいたランカは、正体を知らずに飼っていたバジュラの幼生を群れに返し、人類との争いを止めるため、友の命を奪ったバジュラを人類の敵と憎むアルトに別れを告げて、バジュラの本星を目指して旅立つ。残されたアルトはシェリルの病状を知り、最期の瞬間までともに生きることを誓う。混乱に乗じて権力を掌握したフロンティア新政権に疑念を抱くS.M.Sは、アルトら一部の隊員を残して船団を離脱し、独自に戦役の真相を探り始める。
バジュラ本星の位置を突き止めたフロンティア船団は、本星に侵攻し、そこを新たな居住地とすることを決定する。病状が進行しランカに近い力を得たシェリルの歌を味方につけ、新兵器でバジュラの群れを蹂躙していくが、突如戦場にランカの歌声が響き、態勢を立て直したバジュラの猛攻によりフロンティア船団は絶体絶命の危機に陥る。そこへS.M.Sが帰還し、ギャラクシー船団上層部とフロンティア新政権の陰謀を白日の下に晒す。シェリルの歌とアルトの呼びかけでギャラクシー船団に囚われ操られていたランカは自我を取り戻し、3人はこれまでの絆を確かめあう。シェリルの病状は脳を侵していた細菌がみずからランカと同じく腸に定着したことにより回復し、2人の歌によってバジュラは人類という存在を理解する。S.M.Sを中心として結束した人類と、人類への誤解を解いたバジュラは協力しあい、ギャラクシー船団上層部の野望を打ち砕く。すべてが終わったあと、バジュラたちは別の銀河へと去り、フロンティア船団はバジュラが残していった本星に降下する。
