1「火星的公主」
西历 2014 年，地球与火星的战争 15 年后。虽然承受着身为教师的斯雷因·特洛耶特和驻扎地火星骑士库鲁特欧的担忧，火星公主艾瑟依拉姆·薇瑟·艾莉欧斯亚公主依然带着和平的愿望进行访问地球的亲善活动。另一方面地球的少年界冢伊奈帆和姐姐同学一起过着战后的平凡生活。学习操纵名为 SLEIPNIR 的铁甲骑士。然而火星公主的和平的愿望被无情的粉碎了：潜伏于地球的火星间谍利用导弹击杀了公主的替身。轨道骑士终于有了可以入侵地球的借口，不等火星皇帝的命令，超过一半的火星骑士的扬陆城开始下降地球。战争爆发了。
2「地球最长的一天」
降落在地球上（新奥尔良、北京、莫桑比克、东京）的扬陆城利用导弹压制了地球通信光缆和通信卫星的同时，火星的铁甲骑兵的攻击也同时展开。开始反抗的地球联合军铁甲骑兵在拥有 aldnoah 引擎的火星铁甲骑兵面前不堪一击。另一方面，前往避难的伊奈帆遇见了不可思议的少女（实为火星艾瑟依拉姆公主利用光学迷彩变身）。此时，库鲁特欧的杨陆城中的托尔兰前往新芦原市进行暗中灭口（消灭潜伏的火星间谍）的计划。然而由于界冢雪和鞠户孝一郎的活跃没有达成目标，火星间谍的女儿莱艾・阿里亚修被界冢雪救下，送入伊奈帆所在的运输车内。由于托尔兰的攻击界冢雪的机体损伤严重倒在运输车上，其后伊奈帆的同学箕国起助为了营救机体中的界冢雪而被托尔兰所杀。但是运输车最后还是逃入隧道暂时躲过一劫。伊奈帆决定和同学一起反击火星机甲。
3「战场的少年们」
守候与隧道出口的托尔兰与事件的主谋扎兹巴鲁姆联络后被命令看守住隧道可能的出口，之后将用陨石轰炸直接扫平藏身处达到灭口的目的。另一方面由于鞠户孝一郎的坚持，达尔扎娜・马克芭蕾吉舰长留下了一艘气垫运输船与他一起前往北新芦原市营救被困的他的学生们。日出时分，伊奈帆与同行的网文韵子、加姆・格拉弗特曼（两人驾驶教学用铁甲骑士 SLEIPNIR）、莱艾・阿里亚修（驾驶运输车负责引诱火星铁甲骑士）、艾瑟依拉姆（变身状态，负责在运输车上发射烟雾辅助）开始作战，界冢雪则率领剩下的难民开始避难，途中正好遇见前来营救的鞠户孝一郎。伊奈帆等人利用 NILOKERAS 的弱点制造烟雾阻断了它的视野，虽然受到斯雷因驾驶的火星运输机的干扰但是最终仍然成功使得运输车按时到达桥上的预定作战地点。其后为了拖延时间，艾瑟依拉姆公主在 NILOKERAS 前现出真身，成功动摇了托尔兰。此时韵子的机甲成功将 NILOKERAS 附近的桥体破坏令其坠入水中，加姆操纵小型无人机摄像找到了 NILOKERAS 背后没有覆盖屏障的一点。最终 NILOKERAS 被伊奈帆击中这一点停机。此时发现艾瑟依拉姆公主真身的有伊奈帆、斯雷因和托尔兰。但是托尔兰由于声称要杀了公主被斯雷因用枪击杀。
4「追击的骑士」
与鞠户孝一郎等回合了的伊奈帆五人一起搭乘运输艇离开了新芦原市，惊险的躲开了随之而来的陨石轰炸。前往港口的途中在船上界冢雪经过耶贺赖苍真医生的帮助以机械臂辅助恢复了左臂机能。而艾瑟依拉姆公主也在船舱中与伊奈帆和莱艾做了正式的自我介绍并表示希望和皇帝取得联络。到达港口后的一行人受到了另一个火星铁甲骑士 ARGYRE 的袭击。战斗中 ARGYRE 头部受到落下的集装箱的撞击被破坏，机体也在随后赶来增援的见咲薰的战舰上的舰炮和铁甲骑士的穿甲弹火力压制下被迫撤退。
5「在谒见之地」
初时收到回报的火星皇帝要求诸侯停战并彻底调查公主遇刺一事，并受到库鲁特欧的反对。斯雷因利用他离开谒见室的空隙偷偷进入谒见室面见皇帝陛下，陈述亲眼所见公主殿下未死希望停战并救出公主，被皇帝应付过去。由于扎兹巴鲁姆比斯雷因先一步相皇帝陛下进言，导致皇帝陛下并没有相信斯雷因的说明，并最终发表宣战声明，正式相地球宣战讨还血债。另一方面，伊奈帆所在的航母受到 ARGYRE 的袭击（为了复仇），在击毁了大量集体后伊奈帆的装备爆破反映装甲的练习机最终上场，并利用装甲被砍中爆炸的冲击波吹散 ARGYRE 的等离子体剑，顺势架住手臂后配合倾斜的船身把 ARGYRE 拖入水中利用水蒸气爆炸击毁。伊奈帆利用逃生舱逃出并被莱艾寻获所救。
6「记忆之岛」
面对正式发布宣战的火星帝国，伊奈帆所在船上的适龄青年均被征召入伍。伊奈帆和韵子为驾驶员，加姆为整备员。之后前往种子岛（理由是这里已经在上次大战后废弃，应该没有火星所求之物所以是一个较安全的中转补给站）。与此同时，由于偷偷进入谒见室斯雷因正被库鲁特欧追杀，但是了解内幕的扎兹巴鲁姆要求库鲁特欧留下活口。最后斯雷因驾驶运输机逃离库鲁特欧的扬陆城前往寻找公主。此时在即将到达种子岛的船上，鞠户孝一郎心中怀念当年战死的战友休姆雷。并被舰长告知了一个惊人的事实，舰长就是休姆雷的妹妹，她认为就是鞠户孝一郎当年害死了哥哥。就在鞠户孝一郎震惊的时候，船舰受到了位于种子岛的另一个火星骑士费米安的机体 HELLAS 的进攻。HELLAS 利用可分离的手臂进攻，当实施最后一击的时候，被伊奈帆利用破甲弹爆炸的冲击改变轨道，使 3 个手臂偏离命中轨道。但是最后一个手臂因为是垂直落下难以从下方射击使其偏转，就在伊奈帆射空子弹无能为力时，手臂被斯雷因所驾驶的运输机的机炮击中偏离命中轨道。
7「邂逅的两人」
上一集中斯雷因的及时援助使得航母没有被击毁。伊奈帆等人和斯雷因互相支援，无意间打通了一个岛屿的隐藏港口。在伊奈帆等人掩护下航母驶入港口，并封闭了入口，而伊奈帆则留在外边牵制火星骑士。伊奈帆觉得登上斯雷因的运输机，进行更加灵活的战斗。通过战斗发现，火星骑士机体 HELLAS 分离出的手臂在变形时会变得可破坏，通过此法依次破坏手臂。此时处于岛屿内的人们在绝望之时发现了 15 年前种子岛之战中的火星机体和另一样能扭转战局的东西。岛屿外伊奈帆和斯雷因合作将 HELLAS 的手臂全部破坏，恼羞成怒的费米安发动机体能力将机体本身变作一个大型飞行道具进行攻击。就在即将被击败时一艘由艾瑟依拉姆公主火星战舰从岛屿中飞出将 HELLAS 击败。斯雷因发现公主果然还活着，向伊奈帆请求参见公主，伊奈帆难以确定斯雷因是否也是暗杀分子拒绝了他，并击毁了运输机。
8「见到鸟儿的日子」
艾瑟依拉姆公主向马克芭蕾吉舰长等人坦白了自己火星公主的身份，并且运用自己 Aldnoah 的能力帮助他们驾驭了名为“DEUCALION（丢卡利翁）”的火星战舰。而斯雷因则被库鲁特欧伯爵抓住，并施以电击和鞭刑，拷问他前往种子岛的目的，斯雷因没有说任何信息，而是反问伯爵对公主的忠心，在斯雷因昏迷前，库鲁特欧伯爵得知了公主还活着而且托尔兰被斯雷因所杀的消息，在库鲁特欧赞赏斯雷因忠心，并且发誓要找到残害公主的凶手之际，扎兹巴鲁姆伯爵来到库鲁特欧伯爵的扬陆城，并将扬陆城摧毁，在库鲁特欧伯爵明白他是加害公主的叛徒时，被扎兹巴鲁姆杀害，随后扎兹巴鲁姆将昏迷的斯雷因带走。
9「追忆装置」
扎兹巴鲁姆伯爵承认他是真正谋划暗杀艾瑟依拉姆公主殿下的反叛者，以及告诉斯雷因他的父亲对他有恩情，曾救过他的命，因此拥有义务回报其恩情。界冢雪在韵子等人的机体练习上说出了自己对弟弟伊奈帆的恋爱的看法，说伊奈帆人和艾瑟依拉姆专心的讲话是他这个木头爱慕一个人的最大表现，此时韵子表现出了吃醋。其后火星人莱艾・阿里亚修对艾瑟依拉姆不顾危险也要暴露身份提出疑问，并说原来以为她们都是同伴。鞠户大尉在医生的治疗下回忆起了十五年前的噩梦。饭桌上斯雷因询问扎兹巴鲁姆伯爵，他说出了自己杀害公主并发动战争的原因是向皇族复仇。在澡堂里莱艾试图杀死艾瑟依拉姆公主，因为公主的倒下丢卡利翁也失去了能源动力，大家只好被迫降陆。