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。

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。

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。

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。

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。