Allison & Lillia spielt in einer Welt, die unserer Vergangenheit zur Zeit des 1. Weltkrieges ähnelt. Die Welt ist durch ein Gebirge und einen großen Fluss in zwei Länder aufgeteilt, die zu Beginn der Geschichte bereits 100 Jahre Krieg gegeneinander führen. Allision, eine Pilotin der Luftwaffe eines der beiden Länder, erlebt zusammen mit ihrem Kindheitsfreund Wil, der ein photographisches Gedächtnis besitzt, wie ein Bekannter entführt wird und nachdem sich beide aufgemacht haben die Entführer zu verfolgen, geraten sie unversehens mitten ins Land des Feindes.

Allison & Lillia basiert auf den Light Novels "Allison" und "Lillia & Treize" von Keiichi Sigsawa. Keiichi Sigawa schrieb bereits die Light Novels zu Kino no Tabi (Kino's Journey). Der erste Teil des Anime behandelt die "Allison" Novels, während der zweite Teil die Story der Ranobe "Lillia und Treize" erzählt. Deren Handlung setzt ungefähr 15 Jahre nach "Allison" ein.