西暦2009年に巨人種族ゼントラーディとのあいだで勃発した第一次星間大戦において絶滅の危機に瀕した地球人類は、文化に目覚めた一部のゼントラーディと和平を結んで「新統合政府」を樹立させ、「フォールド」と呼ばれる超空間跳躍航行・通信能力を備え、内部に地球環境を再現した大規模移民船団を造り、種の存続のために銀河系各方面へと旅立っていった。
そして西暦2059年、新マクロス級として25番目の超長距離移民船団「マクロス・フロンティア船団」は、銀河系の中心に向けて航行を続けていた。かつては歌舞伎の天才女形とうたわれながらも舞台を去り、本物の空にあこがれてパイロットを目指す少年、早乙女アルトは、「マクロス・ギャラクシー船団」から来訪したトップシンガー、シェリル・ノームのライブで学友たちとアクロバットを披露し、アルトたちの知り合いでシェリルにあこがれる少女、ランカ・リーも観客として参加する。しかしその最中、フロンティア船団は正体不明の重機甲生命体「バジュラ」に襲われる。船団を防衛する新統合軍と、最新鋭可変戦闘機「VF-25 メサイア」を擁する民間軍事会社「S.M.S」のスカル小隊が迎え撃つものの、バジュラは最終防衛ラインを突破し旗艦「アイランド1」の市街地に侵入する。シェリルとともに襲撃に巻き込まれたアルトは、目の前で戦死したパイロットに代わってVF-25に搭乗し、ランカへと迫るバジュラに立ち向かう。そこへランカの義兄でスカル小隊の隊長を務めるオズマ・リーが駆けつけるが、頭部を失っても動くバジュラの攻撃を受けて負傷し、ランカは異常な反応を示して泣き叫ぶ。同時に未知のフォールド反応が生じ、動きを止めたバジュラは仕留められる。シェリル来訪とバジュラ襲撃のタイミングが一致することから、フロンティア政府はギャラクシーの策謀を疑う。
アルトはオズマから、学友のミハエル・ブラン（ミシェル）やルカ・アンジェローニたちも所属するS.M.Sの正体と、ランカが11年前の事件で肉親全員と当時の記憶を失っていることを聞かされ、すべてを知りたいと希望する。24時間の猶予を与えられたアルトは、戦禍に触れて歌を皆に伝えたいと願うランカの夢を後押しし、自身も覚悟を決める。そこへシェリルが現れ、ランカが唯一記憶していた歌を「アイモ」と呼び、なぜ自分と同じ歌を歌えるのかと問うが、マネージャーのグレイス・オコナーから仕事の連絡が入り、そのまま別れる。
S.M.Sに入隊した翌日、アルトは突然訪ねてきたシェリルに、なくした大切なイヤリングの片方を捜してほしいと頼まれる。シェリルはアルトとともにフロンティア船団を散策し、インプラント技術によるサイボーグ化が急速に普及したギャラクシー船団とはまったく異なる艦内の環境に感動する。アルトとの交流のなかでシェリルは「アイモ」について、祖母がある惑星で聞き、亡き母から伝えられた歌だと語る。そのころ、歌手になることを反対されて家出をしていたランカは、ミハエルに覚悟を問われて雑踏のなかで歌うことになり、アルトを思い出すことで勇気を得て、たちまち大盛況を呼ぶが、シェリルがアルトの頬にキスをして去るのを目撃して動揺する。ランカはその場でスカウトされて下積みの仕事に励むものの、アルトとシェリルの関係を気にして連絡を取れず、ミハエルの計らいで久々にアルトと再会して活動の成果と感謝を伝える。アルトはランカとの対話のなかで、役に取り憑かれて自分を失うことへの恐怖で舞台から逃げ出したことを吐露する。
アルトは、シェリルとギャラクシー船団のクルーにスパイ疑惑が掛けられていることをオズマより知らされ、シェリルに対して一抹の疑念を抱く。一方、ランカは突然現れた緑色の生き物になつかれ、これに「アイ君」と名づける。初めてのライブを控えて緊張するランカは深夜、夢の後押しを受けた丘でシェリルと思いがけず再会する。ふたりが「アイモ」を合わせて歌ったとき、歌に反応したアイ君が体を発光させて逃げだす。イヤリングを見つけたアルトは、シェリルからの呼び出しを受けて丘を訪れるが、アイ君を追うシェリルを見て、ランカを襲っていると思い込みスパイだと決めつけ、シェリルは傷心のまま去ってゆく。その様子を捉えたグレイスは、ランカが自分たちの探し求めていた存在であることを確信する。
シェリルのリベンジライブ開催当日、謹慎中のアルトが「想いを伝える石」とされるシェリルのイヤリングを身につけると、スラムで「ひとりぼっちにしないで」と訴える幼いシェリルと同調し、その心に秘めた本当の気持ちを感じ取る。アルトはシェリルのもとを訪れて謝罪し、何があっても「ひとりぼっちなんかじゃない」と伝える。そこへグレイスが現れて陰で動向を探っていたオズマたちに対し、ギャラクシー船団がバジュラの襲撃を受け、救援要請をフロンティア政府が黙殺する決定を下したと告げる。シェリルは私財を投じてS.M.Sの出動を依頼し、アルトにイヤリングを預ける。S.M.Sは母艦「マクロス・クォーター」で出撃してバジュラ群を蹴散らし、ギャラクシーの難民船団を避難させるが、巨大なバジュラ戦艦が率いる本隊が現れ、難民船の一部が沈められる。ライブでアルトたちの無事を祈るシェリルと、客席でその覚悟を知ったランカがともに歌うと、イヤリングを通じて歌がアルトに届き、バジュラ戦艦が反応してフロンティア船団へとフォールドする。
