生活在希干希納區的少年艾連．葉卡一直都嚮往加入進行牆外調查活動的調查軍團。然而與小夥伴們嬉笑的平和日子在某一天被突然出現在牆外的超大型巨人所破壞。這個巨人踢開了希干希納區與外界相通的大門，引入了大量以吞噬人類的巨人入城。此外，飛濺的石塊砸中了艾連．葉卡的家並壓住了他的母親。艾連只能眼睜睜的看著自己的母親被巨人吞噬。

為了躲避不斷湧入的巨人，希干希納區的人們逃進了瑪利亞之牆內。但是此時出現了一個全身覆滿鎧甲的巨人撞開了希干希納區瑪利亞之牆的城門，導致瑪利亞之牆內的人被迫往更裡面的羅塞之牆轉移。由此帶來的食物短缺導致政府命令難民返回去奪回瑪利亞之牆，由此導致人口銳減20%。而此時的艾連．葉卡為了報仇而與同伴加入了第104期訓練兵。

在訓練軍團教官奇斯．夏迪斯的嚴苛指導下艾連等新兵需要在立體機動裝置上保持平衡。但是艾連無論如何都無法做到。在向他人請教後，艾連於第二天再次嘗試測驗。在又一次失敗後，教官奇斯發現艾連所用的裝置有故障，在更換裝之後艾連終於通過了測驗。

在瑪利亞之牆陷落5年後，第104期訓練兵得以畢業。雖然最終成績名列前茅，但艾連還是選擇加入了調查軍團。就在眾人被分配到托洛斯特區駐防的當日，超大型巨人再次出現了。

再次出現的超大型巨人在士兵們展開反擊之前又一次消失了。為了阻擋湧入托洛斯特區的巨人，新兵們被分配出擊。在突擊途中負傷的艾連為了救阿爾敏，不幸被一個巨人吞噬了。

負責護衛難民撤退的米卡莎回憶起當年被人販子殺害雙親後被跟隨父親出診的艾連救下的事情。思緒回到現實後她又奮起擊殺巨人。

倖存的士兵們由於缺乏補給而陷入困境，此時的米卡莎又從阿爾敏口中得知了包括艾連在內的小隊其他成員全都戰死的消息。以激將法鼓勵餘下眾人繼續作戰後獨自奮站的米卡莎最終還是因氣罐耗盡而落到地面。就在她以為一切都已經結束的時候，一個會使用格鬥術的神秘巨人出現了。

阿爾敏發現神秘巨人只攻擊巨人，於是設計引誘這個神秘巨人前往攻擊包圍補給站的巨人們。就在眾人設法解決占據了補給站內部的巨人後發現，神秘巨人已經擊敗了所有站外的巨人。此時他們發現完好無損的艾連從這個神秘巨人體內出現了。

被救回來的艾連被守衛羅塞之牆的駐紮軍團指揮官奇茲指揮部隊擋在牆內的入口處。就在他命令部隊向艾連以及袒護艾連的阿爾敏和米卡莎開炮時，想起父親託付自家地下室的艾連下意識的部分變身巨人擋下炮彈。

在意識到未能消滅三人而打算再次發令時，奇茲被南部防衛總司令達特．皮克希斯阻止。皮克希斯詢問艾連是否願意再次變身為巨人來堵住托洛斯特區的缺口，艾連表示願意。

在皮克希斯的說明之下，軍團再次集結開始實施堵上托洛斯特區缺口的作戰計劃。就在艾連成功抵達目標位置並變身巨人後，卻突然失控轉身襲擊米卡莎。

見米卡莎試圖說服艾連失敗，作戰小隊發出行動失敗的信號。但在阿爾敏的堅持下，作戰小隊同意繼續保護停止行動的艾連巨人。最終在阿爾敏的極力勸說下，艾連從昏迷狀態中醒來。

在作戰小隊的幫助下，艾連巨人終於成功將巨石堵住城牆的缺口。就在艾連從巨人身體中出來時，他被兩個巨人包圍了。就在此時，調查軍團的里維兵長及時趕到救場。

艾連被帶上了軍事法庭，由軍團總帥扎克雷判決其歸屬。艾連在里維兵長上台暴打下並未變身，里維藉此表示調查軍團能控制艾連。艾連最終被判加入調查軍團以幫助奪回瑪利亞之牆。

被編入調查軍團里維班的艾連在里維班駐地接到分團長漢吉的求助。漢吉在此前的作戰中捕獲了兩隻巨人。為了研究巨人的秘密，漢吉希望艾連幫忙。但是第二天，眾人發現那兩隻巨人已經被使用立體機動裝置的士兵刺殺。

新兵們因兩隻被捕獲的巨人的死而接受調查。之後，調查軍團團長艾爾文．史密斯在新兵志願確定儀式上告訴眾人，軍團下一步計劃是遠征希干希納區，找尋隱藏在艾連家地下室中的秘密。艾連在104期的幾位夥伴都志願加入了調查軍團，準備參加第57次牆外調查任務。

第57次牆外調查開始後不久，一個女性模樣的巨人從隊伍右翼出現並衝進阿爾敏與104期的同伴萊納所在的小隊。在阿爾敏發現這個女巨人可能與艾連巨人一樣擁有智慧時，女巨人拋下阿爾敏和萊納，逕自朝艾連所在的方向飛奔而去。

女巨人在編隊右翼肆虐的同時，隊伍改變前進路線逼近巨樹森林。艾連隨里維兵長等人的中路隊伍進入了巨樹森林，其餘隊伍則繞開了。女巨人隨即追進巨樹森林。

儘管殿後的士兵不斷被女巨人擊殺，里維依然命令艾連繼續前進。隊伍經過埋伏點時，在艾爾文團長的命令下，女巨人被抓鉤捕獲。

艾爾文團長和里維兵長嘗試調查女巨人，卻因其使自己的皮膚硬質化而告失敗。女巨人更通過嚎叫引來大量巨人湧入捕獲點將她吞噬。艾爾文意識到女巨人的真身可能就此脫逃之際，一個偽裝成調查軍團成員的士兵出現了。

這個偽裝者繼續追逐艾連等人。在艾爾文判斷女巨人有著遠超艾連巨人駕馭自身的能力，阿爾敏也推測偽裝的內奸曾目睹艾連變身為巨人。在艾連小隊後方，女巨人再一次出現。為了阻止女巨人的追擊，里維兵長的部下先後喪命。再也無法忍受的艾連變身為巨人與女巨人搏鬥，但很快就被對方打敗並被吞噬真身。米卡莎和里維嘗試阻止女巨人並救出艾連。

米卡莎和里維合力將艾連從女巨人口中救出，為此里維傷了腿。在撤退的途中，調查軍團再次遇到巨人追擊，為了減輕隊伍的行軍負重，團長下令將戰死士兵的屍體丟棄掉。回到城內的調查軍團因牆外調查失敗而被召集到望都接受艾連去向的裁決。

第57次牆外調查的目的，是捕捉混在人類裡，擁有巨人化能力，能破壞城牆的人，可惜作戰計劃以失敗告終，艾爾文等人因政治理由將被叫去王都審問，還被迫必須交出艾連，而隸屬史托黑斯區憲兵團分部的亞妮，將負責調查兵團經過時的戒護工作……

在阿爾敏的推論下，發現女巨人的真實身分應該就是亞妮，艾爾文團長因此擬定作戰計劃，打算誘捕亞妮，雖然艾連也同意這個作戰計劃，但內心始終不願相信，結果在緊要關頭時，無法化身為巨人出來對抗女巨人，眼看眾人陷入了危機……

艾連最終克服心理障礙成功化身巨人，但仍被女巨人逃跑，並趁隙想爬出牆外，米卡莎飛身斬斷女巨人攀爬在城牆上的雙手，讓女巨人墜落地面，艾連因此順利制伏女巨人。此時亞妮出現結晶現象，將自己和重要情報都封死起來。女巨人事件看似告一段落，但有關城牆上巨人的秘密才正要開始…