一年戦争が終結して3年。地球連邦軍は再建計画に基づき、ガンダム開発計画を軍産複合企業「アナハイム・エレクトロニクス」に発注。その成果であるガンダム試作1号機、ガンダム試作2号機が性能テストのためオーストラリアのトリントン基地に搬入される。アナハイム社内の内通者からこの情報を掴んだ、エギーユ・デラーズ中将率いるジオン軍残党「デラーズ・フリート」は、極秘作戦「星の屑作戦」実施に先立ち、南極条約で禁止された戦術核兵器を搭載したガンダム試作2号機を強奪すべく基地を襲撃する。
かつて「ソロモンの悪夢」と呼ばれたジオン軍エースパイロット、アナベル・ガトー少佐は、基地の混乱に乗じて試作2号機を強奪。脱出を図るガトーの前に、連邦軍の新米テストパイロット、コウ・ウラキ少尉が試作1号機で立ちはだかるも、歴戦の戦士であるガトーに圧倒され、「まだ未熟」と屈辱的な言葉を投げかけられる。かくして2号機は朝靄の彼方へと消え、コウらテストパイロットたちは、ガンダムを搬入したペガサス級強襲揚陸艦「アルビオン」の乗組員に任命され、試作1号機のデータ収集、および2号機の追撃・奪還任務に就く。
その中で、コウは様々な事件やライバルとの戦いを経て、戦士として成長していく。補充隊員としてやってきた「不死身の第四小隊」のベルナルド・モンシア中尉との衝突、砂漠でジオン残党を率いるノイエン・ビッター少将との戦い、月面でヴァル・ヴァロを整備していた元ジオン軍パイロットのケリィ・レズナーとの出会いと決闘……戦いの中で、ガンダム開発計画に関わるアナハイムのシステムエンジニア、ニナ・パープルトンとも心を通わせていく。
ガンダム開発計画の責任者で、アルビオンに指令を出す立場にあるジョン・コーウェン中将は、派閥間の抗争によって動きを制限され、アルビオンへの支援が思うようにできずにいた。デラーズ・フリートは核兵器を搭載した試作2号機の存在を暴露し、一年戦争の終戦協定は偽りのものだとして地球連邦に宣戦布告。同じ頃、シーマ・ガラハウ中佐率いるジオン海兵隊艦隊がデラーズ・フリートに加わるが、一年戦争でコロニーへの毒ガス攻撃という「汚れ仕事」を押し付けられてきたシーマ艦隊は、初めから連邦軍への寝返りの機を伺っていた。
星の屑作戦遂行のため、シーマはかねてから裏取引を行っていたアナハイムのオサリバン常務と打ち合わせる一方、連邦軍のグリーン・ワイアット大将の派閥に星の屑作戦の機密文書を売り渡そうとする。しかし、アルビオンのエイパー・シナプス艦長がシーマ艦隊とワイアットの旗艦バーミンガムが接触している場面を目撃し、MS部隊を発進させたことで、図らずも両者の陰謀を阻止することとなる。だが、コウたちの上官であるサウス・バニング大尉が戦死し、アルビオンMS部隊は動揺に包まれる。
試作2号機の行方が掴めない中、コンペイトウ（旧ソロモン）宙域で連邦軍は観艦式を強行。ガトーは友軍の援護のもと、核攻撃を敢行し、多くの艦艇を撃破する。攻撃を阻止できなかったコウは怒りに燃え、ガトーを追撃。一騎討ちの末、1号機と2号機は相打ちとなり爆散。ガトーはコウを戦士と認める。
観艦式襲撃とほぼ同時期、デラーズ・フリートは移送中のスペースコロニーを強奪し、月への落下軌道に投入する。しかし、事前の裏取引によってアナハイムから発射された推進用レーザーの照射を受け、コロニーは地球落着軌道へと遷移。連邦軍の追撃艦隊は推進剤不足に陥り、追撃不能となる。星の屑作戦の真の狙いは、地球へのコロニー落としにあった。
ガトーはアクシズからモビルアーマー・ノイエ・ジールを受領。一方地球では、コーウェン中将がジーン・コリニー大将とジャミトフ・ハイマン准将らの政略により失脚。アナハイムがテストを行っていた試作3号機は凍結され、受領に訪れたアルビオン隊も軟禁される。しかし、アルビオン隊は命令に違反して試作3号機を奪取し、コロニー落下阻止に動く。
ジャミトフはバスク・オム大佐に命じ、ソーラ・システムIIでコロニーの破壊を試みる。シーマはデラーズの旗艦グワデンを制圧するが、挑発に乗ってデラーズを射殺してしまい、怒りに燃えるガトーの攻撃を受け撤退。母艦と合流しようとするが、コウの試作3号機の猛攻を受け、宇宙に散る。
ガトーはソーラ・システムⅡのコントロール艦を撃沈し、コロニーの最終軌道を確定させるが、そこへニナとコウが到着。コウは、ニナがかつてガトーの恋人だったことを知る。ニナはガトーを庇い、彼と共に脱出。コウはやり場のない怒りと共に慟哭する。ガトーはアクシズ艦隊へ向かう友軍の援護を優先し、最後は敵艦に特攻して果てた。
コロニーは北米の穀倉地帯に落着。連邦政府はこれを「コロニー移送中の事故」として処理。権力を拡大したジャミトフは、ジオン残党狩りを目的とした特殊部隊ティターンズを設立する。
コウは軍法会議で黙秘を貫き、懲役1年の刑を受ける。シナプス艦長は死刑、アルビオン隊のほとんどはティターンズに編入。最終的にガンダム開発計画に関わる全事象は封印・抹消され、それに伴いコウの罪状も消滅。北米オークリー基地に赴任したコウは、幾人かの戦友と、地球へ帰還していたニナとの再会を果たすのだった。
