本作主人公冈部伦太郎（宫野真守 配音）是个患有严重中二病的大学生，自称为“凤凰院凶真”的他和伙伴们组成了“未来发明研究所”，在位于秋叶原的一个简陋实验室内进行各种古怪发明和调查。 2010年7月28日这天，冈部和青梅竹马真由理（花泽香菜 配音）一同去了科学讲义会场，在那里，他们遇见了天才少女牧濑红莉栖（今井麻美 配音）。让人意想不到的事情发生了，冈部在会馆楼道内听到一声惨叫，他闻声而至，发现了倒在血泊中的牧濑。冈部用手机短信将这件事告诉好友桥田至，这个举动，让世界都颠覆了。实验室里那个所谓的“未来道具”，竟然真的可以左右世界的进程，冈部自此成了孤独的观测者。 这一切都是命运石之门的选择。
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自那之后已经过去了5年。Amazon几乎被驱除，世界趋于和平。但是被Amazon细胞感染的普通人Amazon化的现象在持续发生扩大，为此政府组成了新组织4C，秘密驱除Amazon化的人类。 其中，幼年时期被Amazon养大的少年·千翼变身假面骑士Amazon Neo与Amazon战斗。但在被生来的吃人冲动所驱使的他的面前出现的是，变身为乌鸦Amazon并作为生物兵器战斗的少女·优。对于这样的优，他第一次没有产生“想吃”的想，并被她吸引着。而优的真面目是被Amazon化的父亲杀死后，作为Sigma型而复活的Amazon。
坂井悠二的高中生活刚刚开始，本将一直持续的平凡生活却因为一次偶然而发生了剧变。 回家途中，商店街的时空突然停止，这封闭空间中所有人的灵魂都被魔物吸去。而手持日本刀与魔物战斗的灼眼红发美少女，告诉了悠二惊人的真相“你已经死了，现在的你只不过是以另一种形态活着。” 接受了这个事实的悠二决定与这位灼眼红发美少女一起为世界而战，并以少女的武器名来称呼她为“夏娜”。为了世界的未来，夏娜被卷入了一次又一次的战斗之中，二人的羁绊就此展开。
