時間點為剎那·F·塞耶與變革者領導者——里朋斯·阿爾馬克的最終決戰後兩年（西元 2314 年）。瑪莉娜·伊士麥公主與希琳·巴夫提亞爾議員前往殖民衛星公社，參訪因前政權中東計畫而建立的殖民衛星，卻遭遇當地殖民公社策動的暗殺行動。就在危急時刻，一架聯合旗幟式機體突然出現，介入並化解危機。
另一方面，卡蒂·馬涅欽准將與其丈夫派屈克·馬涅欽來到天上人號，並得知另一位變革者——笛卡兒·夏曼上尉的存在。同時，一艘 130 年前製造、原已廢棄的木星探查船「歐羅巴」突然自動駛離木星圈，直奔地球。為阻止這股未知威脅，笛卡兒駕駛新型 MA 加迪拉薩 出擊並成功將其擊毀。然而，探查船的殘骸墜落至地球後，全球各地開始發生市民遭到神秘金屬異星體攻擊、交通電子網絡失控等異常事件。
以米娜·卡麥與比利·片桐為首的研究團隊展開調查，並將這些神秘金屬異星體命名為 ELS（Extraterrestrial Livingmetal Shapeshifter，地球外變性金屬體）。此時，阿雷路亞·帕普提茲姆與瑪莉·帕法西（索瑪·皮利斯）在旅行途中發現人類被 ELS 侵蝕並同化，更察覺到 ELS 對兩人的腦量子波有強烈反應，接觸時更出現了異常的精神共鳴。最後，洛克昂前來救援，並將兩人送回托勒密 2 號。
與此同時，沙慈·克洛斯羅德前去探望因前大戰引發PTSD而陷入昏迷的露意絲·哈利維。突然，露意絲從昏迷中甦醒，原因是她曾被里朋斯·阿爾馬克改造成變革者體質，其散發的腦量子波吸引並干擾了 ELS。此時，原本應已死亡的里朋斯·阿爾馬克竟突然現身於沙慈與露意絲面前。
不久後，原已擊毀的歐羅巴再次出現，天上人出動鋼彈迎擊。然而，ELS 小型位元釋放出強大的干擾，導致剎那的腦量子波遭到侵擾，出於變革者的直覺，他無意識地脫離戰場。此時，00 強化模組粒子儲藏槽型被 ELS 侵蝕，情況危急，療天使鋼彈及時現身救援，擊毀歐羅巴。駕駛療天使鋼彈的正是從吠陀啟用新肉身的提耶利亞·厄德，他推測 ELS 擁有自我意識，並認為剎那的直覺反應源於變革者的本能。
歐羅巴再次被擊毀後，來自木星的大量中型 ELS湧現，地球聯邦金中將率領 M 小隊與加迪拉薩展開驅逐作戰。然而在激戰中，母艦與加迪拉薩皆遭 ELS 吞噬，笛卡兒·夏曼戰死。天上人趕到戰區支援，剎那為了揭開 ELS 的真相，決定使用 TRANS-AM BURST 與其溝通，但卻無法獲得明確回應，反而使機體再度被 ELS 侵蝕，剎那的腦部亦因大量資訊灌入陷入危險。為了拯救剎那，提耶利亞引誘 ELS，分離出熾天使鋼彈 II，成功救出剎那並將其交給其他成員後，發動 TRANS-AM 讓 GN 動力裝置超載自爆，但 ELS 仍然緊追不放。
葛拉漢·耶卡所率領的太陽勇者隊前來支援，阻擋 ELS 追擊。撤退後，提耶利亞透過吠陀向皇·李·諾瑞加說明剎那腦細胞受損的情況，並認為若剎那的腦量子波超越現有限制，仍有恢復的可能。此時，伊恩·瓦斯提與琳達·瓦斯提完成了新機體 「量子型 00」 的最終調整，提耶利亞請求將其意識終端裝上新機體。
當木星出現行星級超大型 ELS 時，地球聯邦決定以天上人號為中心設立絕對防衛線，並任命卡蒂·馬涅欽為全軍總司令。戰鬥打響後，ELS 展現出高度學習能力，不僅破解 GN Field，還模仿聯合軍與天上人號的戰術，戰局瞬間逆轉。最終，天上人號被迫自爆，局勢陷入絕對劣勢。
在醫療室中的剎那深陷昏迷，回顧過去的罪孽與遺憾，直到菲特·葛瑞斯的呼喚令他甦醒，駕駛量子型 00 出擊。洛克昂、阿雷路亞與葛拉漢為剎那開闢道路，葛拉漢更駕駛被 ELS 侵蝕的勇者式衝入 ELS 核心，發動 TRANS-AM 自爆，為剎那創造突破口。
剎那進入 ELS 中樞，啟動 QUANTUM BURST Mode 與 ELS 進行溝通，透過提耶利亞與吠陀承擔龐大的資訊量，最終成功與 ELS 核心對話。原來 ELS 的母星因超新星爆炸瀕臨毀滅，為了尋求援助，才試圖與擁有腦量子波的人類接觸，卻因溝通方式不完全導致誤解與衝突。理解真相的剎那開啟量子型空間跳躍模式，與 ELS 核心一同前往其母星進行真正的交流，成功化解衝突。
50 年後（西元 2364 年），人類已與 ELS 和平共處，並在其協助下掌握了新世代 MS 與宇宙船開發技術，近半數人類進化為變革者。地球的第一艘外宇宙航行艦「皇」正準備出發。此時，與 ELS 同化成新生命形態的剎那，駕駛量子型 ELS 回到瑪莉娜·伊士麥身邊，達成了真正的相互理解。
