超長距離移民船団マクロス・フロンティアで、人気歌手シェリルのライブが開催。アクロバットシーンに出演するパイロット候補生の早乙女アルトは、会場近くでシェリルファンの少女ランカと出会う。ところが、突如謎の生命体がフロンティア船団を強襲、ライブが中止になり帰宅途中のランカは、それに巻き込まれてしまう。ランカの危機に遭遇したアルトは、彼女を守るためにパイロット不在となったVF-25Fのコクピットに座る。

オズマやミシェルの援護もあり、ランカを助けることができたアルト。正体不明の敵バジュラも撤退し街も日常を取り戻したかに見えたが、ひそかに隠れていた1体のバジュラが再度襲来。S.M.S基地でもう一度バルキリーに乗せろと迫りオズマに一喝されたアルトは、帰り道でシェリルとランカに再会。だが、その眼前にはバジュラが！

バジュラから逃れ、非常用の退避壕に飛び込んだアルトたち。外部と連絡が取れず、酸素の残量もわずかになるが、シェリルのマネージャー・グレイスたちに救出される。アルトはバジュラと戦い負傷したオズマからランカの過去を聞き、S.M.Sに入隊を決心。そしてグリフィスパークで再会したランカの｢多くの人に歌を聴いてもらいたい｣という想いを応援するのだった。

ミス・マクロス・コンテストの予選を通過したランカ。応援に来て欲しいと頼まれたアルトは、本選の会場に来ていたが、S.M.Sの入隊最終試験で突然呼び出されてしまう。試験内容はクラン率いるピクシー小隊との模擬戦。その最中、突然バジュラが現れるが、それも撃退。アルトは正式にS.M.Sの一員になる。ランカは惜しくも落選するが、｢あきらめるな｣とアルトに励まされた。

なくしたイヤリングを探して、突然アルトの前に現れたシェリル。イヤリングは見つからなかったが｢今日一日、あたしに付き合いなさい！｣と、アルトを連れまわしながら彼女は、ギャラクシー帰還前の短い休日を楽しむ。その頃、ミス・マクロスフロンティアコンテストに参加したことが学校にバレて停学になったランカはオズマとケンカし、アルトに相談するため美星学園を訪れていた。

路上ライブを目撃した芸能事務所の社長・エルモにスカウトされ、アイドルとして活動することになったランカ。ナナセたちは大はしゃぎするが、シェリルがアルトにキスするところを目撃したランカは心から喜べない。そのころ、シェリルの故郷マクロス・ギャラクシーがバジュラの大規模攻撃を受けたことが判明。ハワード大統領は、ギャラクシーへの支援を宣言、S.M.Sにも招集がかる。

シェリルのさよならライブに超満員のファンが熱狂しているところ、ギャラクシー船団の救助に向かったS.M.Sとバジュラは宇宙で激しい戦闘を繰り広げていた。傷ついた戦艦カイトスを戦闘宙域から逃がそうとする最中、巨大なバジュラ母艦が突如フォールドアウトして現れ、カイトスを沈めてしまう。マクロス・クォーターは強攻型へとトランスフォーメーションし、近接格闘戦でバジュラ母艦を撃破する。

束の間の平穏を取り戻したはずのアルトだが、ランカの美星学園転入、シェリルの学校見学など、やはり気の休まる暇はない。しかも、先の戦闘でシェリルから借りたイヤリングを失くしたせいで、奴隷呼ばわりされながらシェリルのわがままに付き合わされることに。学園中を巻き込む大騒動を起こして去ったシェリルだが、今度はなんと美星学園のパイロット養成コースに転入してくるのだった。

航宙科の練習時間をシェリルの撮影に提供したミシェルは、グレイスから姉の話題を出され、動揺する。バジュラとの戦闘中も集中できない彼の放った一撃は、アルトの機体をかすめてしまう。アルトとミシェルの大喧嘩を目撃したクランは、アルトにミシェルの姉・ジェシカの話を聞かせる。優秀なスナイパーだったジェシカは、戦闘中の誤射を故意なのではと疑われた末に自殺していたのだった・・・。

ミス・マクロスのミランダが主演の映画に、端役として出演することになったランカ。スタントシーンにはS.M.Sが協力しており、ロケ地ではミシェルとルカが待っていた。さらに、主題歌を担当するシェリルとお供のアルトも到着。狂暴化したヒュドラに襲われるトラブルはあったが、ランカはヒロインの妹マオ・ノーム役に抜擢され、彼女が歌う｢アイモ｣が新たな主題歌になった。

映画の大ヒットで、一躍注目を集めるランカ。仕事が忙しくアルトたちと会えない彼女は、アルトの誕生日に自分のファーストライブのチケットをプレゼントしようとする。一方、ギャラクシーの生き残りがいるという噂を聞いたシェリルは、体の不調を押して惑星ガリア4の慰問公演の依頼を受けていた。アルトは誕生日当日、シェリルの護衛としてガリア4へ飛び立つ。

ガリア4に駐屯する第33海兵部隊は、新統合軍の中でも悪名高い部隊。シェリルが体調を崩して公演が行われないことを知ると、それを口実に一部の兵がシェリルらを人質にして反乱を起こす。その事態を知ったS.M.Sからはミシェルが救援に出発。ミシェルと一緒にガリア4までやってきたランカは、新曲｢星間飛行｣を歌い暴動を収め、アルトに誕生日のお祝いのメッセージを伝えたのだった。

ガリア4のジャングルに不時着したアルトとランカ。何者かにさらわれてしまったランカを探し、荒れ果てたマクロス艦に向かったアルトは、それがランカの暮らしていた第117調査船団の旗艦グローバルだと知る。準女王バジュラの巣になっていたグローバルはランカを乗せたままバジュラ母艦へ変貌し、いずこかへフォールド。謎のバルキリーに足止めされていたアルトは、ガリア4を飲み込む光から逃れ、惑星を脱出する。

ガリア4からフォールドしたバジュラ母艦の大群は、マクロス・フロンティアの航行する宙域に出現し、S.M.Sと新統合軍はこれをつい迎撃。バジュラ母艦とともにフォールドしたVF-25Gの操縦席では、負傷したミシェルに代わりシェリルが操縦桿を握る。そして、フォールドブースターを使ってフロンティアへ戻ってきたアルトは、ランカ救出のために重装備のVF-25Fでバジュラ母艦へ突入する。

バシュラの襲撃やガリア4の消滅など、アルトたちが遭遇した数々の出来事の裏で暗躍していたグレイス。彼女と仲間たちは、ランカが歌姫としての才能を開花させたためプランを大幅に変更。シェリルを切り捨てて、レオンの協力の下でランカを取り込もうとする。一方、ブレラがギャラクシー所属のパイロットだと判明したことから、オズマとキャシーはレオンへの疑いを強めていた。

グレイスとレオンの企てにより政府主導のプロジェクトが始動。ランカの歌がバジュラに影響を与えると証明するための極秘実験が行われる。ランカは、オズマやアルトに守られながらバジュラとの戦場に向かい、その歌声の秘めた力を発揮。初の｢ランカ・アタック｣は大成功する。ボビーたちから｢希望の歌姫｣と称賛される中、敵と戦うために歌うということに、ランカは戸惑いを感じずにはいられなかった。

ランカの歌を戦闘に利用することを疑問に思うオズマは、キャシーから情報を得て、独自に調査を始める。そんなおり、偵察部隊が発見したバジュラは、反応弾さえ通用しない相手に進化していた。それでも、ランカやキャシーを守るため、被弾しながらも奮闘するオズマ。戦闘を終え、ランカのファーストライブに駆けつけた彼だったが、VF-25Sコクピットは、血で真っ赤に染まっていた・・・。

グレイスから不治の病だと告げられたシェリルは雨の街をさまよい、アルトの兄弟子・矢三郎の前で倒れて早乙女の家へ。その頃、フロンティア政府は、超長距離フォールドを行うことを発表。ランカは、その作戦を成功させるための重要な切り札だった。しかし、予測よりも早くバジュラの大群が襲来。躊躇する大統領に対して、レオンは強硬にフォールドの実行を勧めるのだが・・・・。

超長距離フォールドの成功に沸くフロンティアの街。祝日となった｢アイモ記念日｣には祝賀パレードやランカの記念ライブが企画されていた。しかし、ランカは部屋から逃げ出したあい君を探すため、パレードを抜け出す。そのころ、早乙女家を訪れたアルトは、歌手をやめると言い出したシェリルと口論に。また、極秘に調査を進めるオズマとキャシーは、レオンのクーデター計画の証拠を手に入れる。

突如小型バジュラの大群が現れて、大パニックのフロンティア内部。ランカはアイモを歌うが、アルトとシェリルの抱き合う姿を見たショックで感情が不安定なため、バジュラの攻撃は止まらない。ミシェルたちも合流しS.M.Sに向かうが満足な武器はなく、クランが巨人化してバルキリーの武器で戦うことに。しかし、巨人化中のクランを守るため、遂にミシェルが命を落としてしまう。

ルカは、バジュラの大群を駆遂する作戦を発案。それはランカの歌でバジュラを集め、フィールド爆弾でアイランド3ごと消滅させるという危険なプランだった。自身の歌でバジュラを死なせたことを悲しむランカは、グリフィスパークであい君と再会。ランカはアルトを呼び出すが、バジュラの幼体として成長したあい君に銃を向ける彼を見て、ブレラ、あい君と共に旅立つことを決意する。

バジュラの襲撃により甚大な被害を受けたフロンティア。レオンは、その窮地から脱出するため、バジュラと共に去ったランカの代役を探していた。そして、V型感染症患者のシェリルの歌声が、ランカの歌声と同じようにフォールド波を発していることを知る。同じ頃、部隊が軍に編入されるという事態を危惧したワイルダーは、オズマら大半のS.M.Sメンバーとマクロス・クォーターを奪取し、軍に反旗を翻す。

ランカやS.M.Sが去ったフロンティアで、アルトは新統合軍のパイロットとして隊を率い、シェリルとは恋人同士として過ごしていた。そんな中、レオンとビルダーに呼び出され、バジュラがランカを利用し人類を滅ぼそうとしていると聞かされる。一方、バジュラの母星にたどり着いたランカとブレラは、バジュラとの交信を試みるも失敗。ふたりともグレイスの手に堕ちてしまった。

バジュラの母星を奪うため、短距離フォールドを行い最後の戦いに挑むフロンティア。シェリルの歌に守られて目的達成も近いかと思われたが、突然、巨大なランカが出現。彼女の歌の力でバジュラの反撃は激しくなっていく。アルトはランカを止めようとするが、その行く手をグレイスのコントロールを受けているブレラが阻む。2機のバルキリーは激しい戦いを繰り広げるが・・・。