Seit dem mysteriösen Unglück, bei dem ganze Städte von der Landkarte verschwanden, sind fünf Jahre vergangen. Auf der ganzen Welt herrscht Chaos, doch nach und nach beginnen die Menschen mit dem Wiederaufbau ihrer Städte. Inmitten dieses Umbruchs hat es sich eine Gruppe junger Mädchen zum Ziel gesetzt, die Menschen wieder zum Lächeln zu bringen: Und zwar mithilfe des neuen „Theatrical Material System“, mit dem 3D-Hologramme von lebensechten Bühnen erzeugt werden können. Voller Hoffnung fiebern sie auf den Moment hin, an dem es endlich heißt: Vorhang auf!

5012: Außerirdische sind plötzlich auf der Erde gelandet. Die von ihnen geschaffenen maschinellen Lebensformen drängte die Menschheit an den Rande des Aussterbens. Eine kleine Anzahl von Menschen startete mit Android-Soldaten eine mächtige Gegenoffensive, jedoch geriet der Kampf angesichts der sich unendlich vermehrenden maschinellen Lebensformen in eine Patt-Situation. Als ultimative Waffe entsendet die Menschheit eine neue androide YoRHa-Einheit namens 2B. Während eines Einsatzes schließt sie sich mit 9S zusammen und stößt auf eine Reihe mysteriöser Phänomene.