Ambientata nel futuro, nella città di Heartland, la storia si concentra su Yuma Tsukumo, un giovane duellante che mira a diventare il campione assoluto di Duel Monsters. Un giorno, durante un duello con Shark, il bullo della scuola, un misterioso spirito di nome Astral lo aiuta a vincere. Astral spiega a Yuma che sta cercando di recuperare la memoria perduta, trasformata nelle carte di 100 mostri Xyz chiamati Mostri Numero. I Mostri Numero hanno il potere di prendere il controllo del duellante che li usa e far emergere il suo lato oscuro. Per recuperare le 100 carte, Astral e Yuma fanno squadra e, dopo l'incontro con il Cacciatore di Numeri Kite Tenjo, ottengono l'abilità di fondersi in un'unica entità tramite il potere Zexal. Partecipando in seguito al Carnevale Mondiale di Duelli, Yuma affronta diversi avversari, tra i quali Tron e Dottor Faker, che vogliono i Numeri per i loro scopi malvagi.