Kyo Sogoru découvre qu'il est le seul à pouvoir voir Shizuno Misaki, une belle fille qui l'invite à jouer à un jeu où il doit sauver le monde.

Kyo découvre que des choses étranges se produisent dans son monde - comme ses amis disparaissent de sa vue et Shizuno n'apparaît que lorsqu'il est seul. Il accepte de continuer à l'aider si elle apparaît dans un film que lui et son amie, Ryoko Kaminagi, tournent.

Alors que Kyo joue à un jeu que lui a donné le président du conseil étudiant Shima, il commence à remettre en question la réalité dans laquelle il vit.

May-Yu, May-Yen et Lu Sheng sont déterminés à sauver le serveur corrompu de Shanghai avec l'aide de Kyo et Shizuno. Lorsque le serveur est détruit, Kyo découvre la vérité derrière ce qui est réalité et ce qui est un rêve.

Kyo se convainc que Maihama est réel et que tous ses amis le sont aussi. Cependant, dans sa confusion croissante, il ne se présente pas au combat lorsque l'Oceanus a le plus besoin de lui. Les Célébrants doivent se défendre contre l'ennemi qui apparaît enfin - Abyss.

Kyo essaie de prouver que ce qu'il ressent et vit dans son monde est réel, mais devient plutôt capricieux lorsqu'il se rend compte que même ses amis peuvent n'être que des illusions. Lorsqu'il essaie de quitter Maihama pour affirmer la réalité de son monde, Shizuno explique enfin la vérité. L'Oceanus est rejoint par Chris et Arque Avenir.

Enfin convaincu que Maihama est une illusion artificielle, y compris celles dont il se soucie le plus, Kyo passe la journée avec Ryoko à l'aquarium, qui remarque qu'il a changé malgré la façon dont il agit autrement.

Des souvenirs dont Kyo ne se souvient pas et des commentaires désinvoltes de ses camarades laissent entendre que le passé de Kyo est plus complexe qu'il ne le pense. Accompagné de May-Yu, il va voir le vrai Maihama afin qu'il ressente la douleur de la réalité et sache pourquoi il doit continuer à protéger son monde illusoire.

Chris révèle à Kyo que si les données des corps peuvent être reconstruites, les souvenirs perdus ne peuvent jamais être récupérés - Arque a perdu une grande partie des siens à cause de l'humidité. Kyo et Ryoko se disputent et Kyo remet en question la douleur qu'il ressent à cause de l'émotion.

Ryoko utilise une cassette vidéo de Tōru Kanō pour créer un nouveau film, sans se rendre compte que c'est un signe qu'elle pourrait bientôt "s'éveiller" au monde réel. Elle et Kyo se réconcilient pendant le festival d'été.

Arque passe ses derniers jours à créer des souvenirs inoubliables avec Chris, Kyo, Shizuno et Ryoko. Sin et Abyss reviennent et Ryoko commence à s'éveiller.

L'équipage de l'Oceanus étudie les candidats potentiels au titre de Célébrant, parmi lesquels Ryoko, Hayase et Tomigai. Ryoko se réveille complètement et passe la journée avec Kyo et demande à voir le monde réel un jour avec lui.

Ryoko rejoint l'équipage de l'Oceanus et filme le monde réel comme elle le souhaite. Elle devient la nouvelle wizard de Kyo et se révèle être une pilote exceptionnellement douée, mais une tragédie survient lorsque l'Altair est frappé par Sin et que les données d'apparition de Ryoko sont détruites.

Kyo doit surmonter son chagrin face à la perte de Ryoko tandis que Lu Sheng révèle ce qui a poussé l'humanité à être stockée dans des serveurs. Shizuno cherche désespérément dans les données de combat brutes de l'Altair et trouve les données de Ryoko compressées dans la mémoire du mecha.

Tout semble aller pour le mieux pour Kyo : Ryoko va revenir, il s'est enfin réconcilié avec Kawaguchi et ses amis sont heureux. Mais le monde lui-même agit bizarrement et Kyo découvre enfin que le serveur ne peut simuler qu'une période de temps limitée avant de se réinitialiser.

Le serveur de Maihama est réinitialisé et les cours d'été reprennent. Ryoko revient sur le serveur, mais elle est hospitalisée et dans le coma. Kyo découvre que Ryoko ne peut exister qu'en tant qu'elle-même à l'intérieur de l'Altair, ce qui les fait souffrir ainsi que leur entourage.

Tandis que Shima et Shizuno partent en excursion, Minato et l'équipage de l'Oceanus doivent se défendre contre Sin, qui a réussi à s'infiltrer dans le vaisseau afin d'interroger les Célébrants sur les raisons qui les poussent à combattre les Gards-orm. Satisfait de la réponse de Ryoko, Sin restaure les données endommagées de cette dernière.

Les données de Ryoko sont réparées grâce à la greffe de Sin, mais son composant émotionnel est enfermé dans l'Altair, de sorte qu'elle est apparemment dépourvue d'émotions dans le serveur. Kyo et elle explorent le monde réel, où il affirme que si Ryoko et lui ne sont que des apparitions, ils pourront un jour toucher le monde réel.

Lu Sheng soupçonneux confronte Shizuno au cours d'un dîner sur le serveur Maihama au sujet de ses récentes actions et de son identité en tant que "Yehl". Kyo et Ryoko tentent de défendre le serveur Maihama contre Sin et Abyss, mais sont dévastés lorsqu'il est détruit, ignorant que Lu Sheng et Shizuno sont toujours en vie, d'une manière ou d'une autre, avec tous les autres.

Shizuno et Shima révèlent que le serveur Maihama est en sécurité car il a été déplacé sur la lune il y a quelque temps par le précédent Kyo avec Shizuno et Shima. Shizuno et Kyo travaillent à nouveau ensemble et elle révèle comment ils se sont rencontrés et comment il lui a donné le nom de "Shizuno Misaki".

Shizuno s'occupe de Shima, révélant qu'il est en fait un clone du vrai Shima, un Gards-orm qui s'est retourné contre les siens pour ramener l'humanité. Minato prend sa place en tant que commandant de l'Oceanus et les Celebrants commencent à exécuter leur plan final : Le Projet Résurrection. Les Gards-ormes commencent à étendre leurs zones destructrices de Deutera sur la Terre.

Après avoir combattu Abyss et Sin, Altair et Garuda réussissent à s'infiltrer dans la base des Gards-orm, mais ils pénètrent dans l'ordinateur quantique des Gards-orm et sont confrontés à Naga et à son point de vue sur la nature de la vie et de l'humanité.

Forcé d'abandonner l'Oceanus, son équipage retourne sur le serveur Maihama et pense avoir échoué à le récupérer ainsi que le système de résurrection ; cependant, un cadeau d'adieu de Shima apporte un nouvel espoir.

Après avoir détruit G-Phaetus, Kyo et Shizuno s'efforcent d'arrêter l'expansion des Zones de Deutera sur Terre en détruisant leur base orbitale tout en transportant le serveur Maihama et les données du système de résurrection compressées dans l'Altair.

La résurrection de l'humanité et la restauration du monde commencent enfin.