2X49年、日本は「東亜統合連合（EAA）」の支配下にあり、首都東京は「模範都市」として飾られていた。だがEAAが極秘で推進する「人類進化プロジェクト」が突然暴走し、実験対象となった市民たちは理性を失い肉体を変形させた「グール」として街中に蔓延。同時に実験データが結晶化した「化物」も、都市インフラを蝕み独自の意思で活動し始めた。

政府は真相を隠し、「未知の感染症」を理由に東京全域を封鎖。封鎖区域内に残された人々は、グールの脅威、化物の攻撃、さらにはEAA軍の「排除作戦」にさらされていた。元防衛省情報将校の神林颯太は、妻と娘を実験に奪われた過去を抱え、生き残った人々と共に抵抗組織「桜」を結成。彼らはグールが単なる怪物ではなく同胞であることを突き止め、さらにEAAが東京を「実験台」とし日本全土へプロジェクトを拡大する計画を知る。

ある日、「桜」は僅かな理性を保つ元科学者・水野亜衣を救出。亜衣は亡き父が残した「コアプログラム」が化物を制御する鍵であることを明かす。一方EAA軍の精鋭部隊が封鎖区域に進軍し、市民も含めた無差別攻撃を開始。グールたちは自らを守るため化物と共に対抗し、人間、グール、化物が混在する混沌の戦いが東京全域で繰り広げられる。

颯太たちは東京駅地下のプロジェクト本拠地へ向かい、三者の共存の可能性を見出して共闘を決める。亜衣がコアプログラムを起動すると、化物はEAA軍の兵器を乗っ取り、グールたちも理性を取り戻し始める。最終決戦の末、EAA軍は撤退し、人間・グール・化物が共存する「東京共和国」が誕生した。

2050年春、東京に桜が咲く中、颯太は新政府代表として国際認定交渉を進める。しかし闇の中では、バンパイアの如月ルナと悪魔マモンに憑依した大蔵大臣が暗躍。戦闘機「雷鳴」、戦車型ロボット「鋼鬼」、さらに「黒きガンダム・マモン機」を使い世界滅亡を企てる。ルナが過ちを悔い改めて共闘し、亜衣の「純化プログラム」でマモンを封じ込めた後、東京共和国はついに国際社会から承認され、多様な存在が共に生きる新たな未来へと歩み始める。