Ayato Kamina es un estudiante de 17 años que lleva una vida aparentemente normal en Tokyo Jupiter, una misteriosa ciudad aislada del resto del mundo por una gigantesca barrera. Sin embargo, todo cambia cuando la ciudad es atacada y Ayato conoce a Haruka Shitow, una mujer que llega desde el exterior y le revela que el mundo que él conoce no es lo que parece. Durante la huida, Ayato descubre que posee una extraña conexión con RahXephon, un gigantesco mecha capaz de enfrentarse a los invasores conocidos como Dolems. Sin comprender todavía por qué puede pilotarlo, termina involucrado en una guerra de dimensiones desconocidas y en una conspiración relacionada con el verdadero origen de Tokyo Jupiter.

A medida que Ayato abandona su ciudad y entra en contacto con el mundo exterior, comienza a descubrir que su propia identidad, sus recuerdos y su relación con las personas que lo rodean forman parte de un misterio mucho más grande. Especialmente importante será su vínculo con Quon Kisaragi y con Haruka, mientras diferentes fuerzas intentan controlar el poder de RahXephon.