惑星タビトに住む「学」とその兄「護」の自慢は、銀河鉄道の安全を守る空間鉄道警備隊、通称SDFの小隊長として活躍する父親の渉。ある日、父が指揮を務める小隊の車輌「ビッグワン」が惑星タビトに立ち寄ることになり、親子は再会に喜ぶ。しかし、その安息も束の間、父の小隊にスクランブル発進命令が下される。別れを惜しむ学と護は、内緒で父の指揮する車輌「ビッグワン」へと乗り込む。そして、父と共に宇宙へ旅立つことに…。

空間鉄道警備隊（SDF）の入隊試験に合格した学は、引き止める母カンナを説き伏せ、故郷のタビトに別れを告げた。銀河鉄道全線の始発駅であり、SDFの本拠地“惑星ディスティニー”へと向かうために550号に乗り込んだ学は、同じくSDFに入隊するルイと車内にて偶然出会う。突然、学とルイを乗せた列車は、コントロールを失い宇宙空間の時空のひずみ「時の結び目」に吸い込まれてしまう。タイムスリップして辿り着いたのは、5年前の砂漠の惑星ハクメイ。そこで、学は宇宙海賊と戦う5年前の兄・護と出会うのであった…。

SDFに入隊した学は父親の渉と同じシリウス小隊に配属された。そこで待っていたのは新入りの学に対して冷たい態度をとる先輩のブルース。落ち込んでいる学に620号列車で立てこもり事件発生との連絡があった。隊長のバルジから、ブルースとのコンビでの作戦遂行を命じられた学は、犯人に銃を突きつけられ車内で泣き叫ぶ赤ん坊とその母親の悲鳴に衝動を抑えきれず、突入の合図の前に１人車両に踏み込んでしまう…。

2つの太陽の間を8の字に回る惑星メリディエス。その惑星は軌道の関係で3ヶ月に1度、わずか10分間の間だけ夜が訪れる。そして、その瞬間に死者を乗せた漆黒の列車「幽霊列車」が停車するという。事故死した恋人カレンにどうしても会いたいテリーは、幽霊列車へと乗り込みそのまま行方不明となってしまった。テリーの捜索を依頼されたSDFは、惑星メリディエスへと向かう。その夜、闇に現れた幽霊列車に学とルイが駆け込むと、２人を乗せたまま列車は走り去ってしまう…。

惑星リオグランデでの無人貨物列車墜落のためシリウス小隊が出動。しかし、それは宇宙海賊ガイ・サンダーが仕組んだ罠で、シリウス小隊専用車両“ビッグワン”が強奪されてしまった。宇宙海賊によるビッグワンの悪用を防ぐため、銀河鉄道管理局はビッグワンの破壊を命じる。だが、ビッグワン内で囚われの身となっているシリウス小隊の同僚デイビッドを見捨てることができず、学は命令に逆らって１人でビッグワンに飛び込む…。

大マゼラン行き特急列車323号が、走行中に爆破テロに遭った。シリウス隊が現場に急行して目にしたのは列車の残骸の海。ショックで動けなくなった学は隊員としての任務を果たせずシリウス小隊隊長“バルジ”に謹慎を言い渡される。学が落ち込んでいるそんな時、自販機業者の若者“ショウ”に出会い、二人は仲良くなっていく。しかし、その頃まだ他の沿線でも同様の爆破テロが相次いでいた…。

学の謹慎処分が解けた。一連の爆破テロの被害車両はすべて同じ日にディスティニーを発っていることが判明。ビックワンは次に予想される爆破を阻止するために列車救出に向かう。爆弾を発見したシリウス隊が撤去作業をしている頃、武装した爆破テロ犯は銀河鉄道管理局の管制室に進入し、レイラと対峙していた。銀河鉄道に深い怨恨をいだく犯人は、復讐のため原子力電池で銀河鉄道とともに自爆しようとするが…。

廃車置場で老人ホイットマンにしごかれながらポンコツ車輌の整備をさせられていた学。その時、惑星ロザムントのトンネルを通過中の特急227号、ペガサスエクスプレスが磁気雪崩に巻き込まれて立ち往生し、ビッグワン出動の要請があった。ロザムント出身で40年前の惨事を知るホイットマンは「ビッグワンを助ける」と、スクラップを目前に控えた貨物列車825号に乗り込み、銀河鉄道管理局の停止信号を無視して発車してしまう…。

SDFシリウス小隊は惑星ディオで2日間の休暇を過ごすことになった。緑あふれるこの惑星には、人の辛い記憶を盗む妖精サライが住んでいるという。サライに記憶を盗まれたブルースは、昔の同僚オーウェンとの辛い過去を忘れてしまう。すると、陽気で親切な男に変貌し、これまで冷たく突き放していた学に対しても温厚に接するようになるのだが…。

宇宙に浮かぶ空間軌道ジャンクション、アルファ32分岐点で、停車中の囚人護送列車から囚人が脱走した。学はユキと組んで囚人を追いつめるが、人を助けるために作られた医療用セクサロイドのユキは、負傷して命が危ない囚人を治療しようと試みる。しかし、囚人はユキに発砲。SDF入隊以来、「人を助ける仕事に銃は必要ない」と銃の使用をかたくなに拒絶してきた学だったが…。

ビッグワンは、立ち往生した循環特急134号を牽引して惑星コルネリアに停車した。その街でバルジは、かつての恋人カタリナの姿を見かける。かつて銀河鉄道最大の惨事と言われた事故で唯一の生存者だった少女だったカタリナが、大人になって小さなレストランを営んでいる姿だった。甘く切ない思い出を胸に、バルジはカタリナの店の前に現れ…。

間もなく消滅する運命にある惑星アーベントでは、全住民が他の惑星へ移住することになっている。惑星に残された住民の有無を確認するため、学は郊外のある地区に向かった。郊外へと続くトンネルを抜けると、一面に広がる金色の麦畑。そこに現れた老婆は、学を見て、惑星開拓のために旅立った息子マコトが成功を収めて帰郷したものと思い大感激するが…。

故郷タビトを発った学は、間違って銀河鉄道777号に乗ってしまった。777号は停車駅や終着駅が定まらない行き先不明列車。突然、列車が次元ホールに突っ込み、銀河鉄道管理局との通信が途絶える。そこはレイラの力が及ばない別の宇宙だった。超重力惑星に引っ張られ、正体不明の勢力が次々と攻撃してくる。車内で出会った幼なじみの昴は「これが運命」とあきらめているが、それに対して学は「運命は決まっていない」とあきらめない…。

学とルイはクラリオス星団共和国のドレイク大統領の空間鉄道間の警護を命じられた。しかし、ルイはこの任務に気乗りがしない様子。実はルイは大統領の娘であり、父に反発して家を飛び出したのであった。久々の親子の対面にも反抗的態度をとるルイ。そんな列車内には、大統領を狙う何者かの姿が。そして、大統領に向けて銃弾が放たれた…。

銀河鉄道公営のカジノ列車・グレイスウェルシーが走行中、海賊の集中砲火を浴び、あらゆる金属を腐蝕させる大気と土壌を持つ惑星グィンに不時着。ビッグワンは現場に向かい、救命艇で乗客救出を始める。救出が遅いと文句を言う富豪たちばかりのなか、青年実業家の大山は、腐蝕が進む機械化人の車掌を最後まで助けようとしていた。すべての救出が終わり母船に帰る途中、ひょんなことで、大山とユキが地上に落下してしまう。2人を囲む原棲生物たち。そして、ユキの腐蝕が始まった…。

雪と氷に閉ざされた惑星ハーガ・ルーに正体不明の小型機が墜落した。付近を警ら中だったシリウス小隊は、現場へ向かいトレジャーハンターを保護する。保護したトレジャーハンターは、7年前デイビットの100万エーブルと一緒に消えたアイリーンだった。アイリーンはデイビッドの銃を奪い、宇宙一美しいといわれる宝石「イスペリルの蒼い炎」を求めて、いずこかへ消えてしまう。消えたアイリーンを追うデイビット達。アイリーンを追ってカスファンテルの城を訪れるが…。

SDF本部に何者かが侵入し、ブルースと学は館内の捜索を開始する。敵を追い詰めた間際、ブルースの目の前で、敵の手によって学の胸が貫かれる。鮮血と共に崩れ落ちる学。悪夢がブルースの脳裏に蘇る。学は一命を取りとめるが、過去の呪縛に囚われたブルースは、侵入者に死神の姿をみてしまう。悪夢を、死神を振り払わんと闇雲に死神の幻影を追うブルース。激昂し冷静さを失ったブルースを追う学。追いつめられた侵入者の影が二人に迫る…。

多くの観光客を乗せたリゾート列車610号の車内には、ルイのババ抜き連敗記録更新に手をかすマギー、愛、シェリー、そして学。雌雄を決さんと一騎打ちにいそしむブルースとシルバー。乗務員をひたすらくどくデイビッド。休日を楽しむSDFのシリウス、べガ、スピカそれぞれの小隊隊員たちの姿があった。目的地は温泉惑星26番惑星「ロブンテ・ロルドー」にあるべガ小隊長村瀬の実家「村瀬旅館」。普段の任務を忘れて、温泉、テニス、卓球と各々がくつろぐ面面。いつもとは違う和やかな時間が流れるなか、村瀬とジュリアは静かに語らう…。

ベガ隊のシュナイダー、スピカ隊の愛と共にSPG合同研修訓練を受けることになった学。前々から学に目をつけていたSPGヨハンソン隊長は、村瀬を通じて研修次第では学にSPGへの道が用意されていることを告げる。今の自分を育ててくれたSDF、兄・護が所属していたSPG。その間でゆれながら研修をこなしてく学。学は気持ちの整理ができないまま、最後の研修、実地訓練に臨む…。

惑星クーロンからの微弱なSDF救難信号があった。しかし、信号発信元宙域には、SDF関係車輌は一輌もない。謎の信号を確認及び要救護者保護の為、ビッグワンに出動要請がでた。今回の作戦に同行することになった特務情報部イワノフ管理官は、今回の合同作戦は協力要請ではなく命令だと言い切り、バルジ小隊長を差し置き、次々と注文をつけてくる。迷宮都市から発される謎のSDF信号。特務情報部の登場。そして説明されることのない命令。疑問と不満が解決されないまま、シリウス小隊は捜索先で、植物型生命体と遭遇する…。

謎の艦隊との戦闘から強行離脱したビッグワンは、サザーランド第4星系に不時着した。強行離脱の際、ルイは重傷を負ってしまっていた。治療を優先させようとする隊員達に対し、ルイを放置し任務遂行を優先させるよう命令を下すイワノフ管理官。バルジは隊長として管理官を退け、ルイの治療を優先させるが、戦闘により、大きな損傷を受けたビッグワンには、ルイの治療に必要な医療資材も輸血用の血も残ってはいなかった。緊急に手術が必要なルイの為に、ブルースと学は、医療資材と輸血用の血を求めて街を目指すが…。

大切な仲間を失い意気消沈するシリウス小隊の隊員達。そんな彼らに追い討ちをかけるように査問委員会からバルジ隊長に出頭命令が下った。査問委員会の裁定が下るまでの間、バルジは小隊長の任を解かれ、シリウス小隊も一時的に解散されてしまう。散り散りになるシリウス小隊。悲しみを誘うように降りしきる雨。冷たい雨と現実が、これまで積み上げてきた何かを静かに崩し、学たちを飲み込んでいく。そして査問委員会が出した結論は、バルジの隊員資格剥奪だった…。

敵勢力展開を受け、各主要施設の警護任務に向かうSDF各隊。SPGもまた敵勢力殲滅へ向かうが、敵艦隊の圧倒的な戦力の前に壊滅してしまう。ハルーム軌道分岐点警護に向かったスピカ小隊は、既に壊滅した分岐点とSPG車輌を目の辺りにすることになる。スピカ小隊は、破壊されたSPG車輌の残骸のなかから、SDF信号を発するSPGの記録カプセルをみつける。そこには、SPGヨハンソン隊長のメッセージと共に傍受した敵の通信が残されていた。その内容は、敵勢力の攻撃命令。目標は、銀河鉄道とディスティニー。そして今、敵勢力の進行が開始される…。

敵勢力の圧倒的な戦力の前に敗走につぐ敗走を繰り返し、壊滅寸前まで追い込まれた銀河鉄道。ついにディスティニー最終防衛ライン、防衛要塞アネックス宙域まで侵攻されてしまう。アネックス宙域で対峙する銀河鉄道と敵勢力。そんな中、敵勢力から投降勧告が届く。銀河鉄道は、これを利用し新主砲完成までの時間を稼いでいた。しかし、特務情報部の暴走により新主砲の完成を待たずに最後の戦闘が開始されてしまう…。

敵艦隊に辛勝したシリウス小隊。敵勢力を退けたと思われたその時、さらに巨大な空間歪が発生し、さらなる大艦隊と巨大戦艦が姿を現した。強大すぎる敵の前にビッグワンは一時退くことになる。退きながらも相手の弱点を探るが、あまりにも大きすぎる敵の前にビッグワンはなすすべを失う。SDF本部も全システムを投入し弱点を探るが、あと一歩のところで索敵を妨害されてしまう。弱点が不確かなまま敵巨大戦艦へ向かうビッグワン。ビッグワンはこの強襲揚陸作戦にすべてをかける…