La historia transcurre en un futuro distante, mil años luego de la destrucción de la Tierra a manos de unas gigantescas criaturas alienígenas llamadas Gauna (奇居子（ガウナ）), donde los humanos han escapado a bordo de naves espaciales masivas construidas a partir de los restos del planeta. Uno de dichos buques espaciales es Sidonia, que ha desarrollado su propia cultura humana basada en la japonesa donde, además, la clonación humana, reproducción asexual e ingeniería genética humana (como humanos fotosintéticos) son prácticas normales. Con una población superior a 500.000 personas, Sidonia es posiblemente el último de los refugios humanos, pues se desconoce el paradero de las otras embarcaciones.
Poco se sabe de la naturaleza de los Gauna o sus razones para atacar a la humanidad. Uno de los pocos datos que se tiene de estas criaturas, es que cada Gauna está protegido por una gran masa de un material casi indestructible conocido como “placenta” (胞衣 Ena), y comúnmente llamado “Ena”. Una vez que el Ena es herido y el núcleo del Gauna es dañado más allá de la regeneración, el cuerpo se desintegra.
Sidonia es defendida por grandes robots de combate tripulados por un piloto (Guardianes) llamados Gardes (衛人 Morito?) cuya movilidad y armamento es impulsado por “partículas Higgs” (ヘイグス粒子 Heigusu Ryūshi?). Los Gardes están armados con un cañón del alto rendimiento para ataques de largo alcance y una lanza especial conocida como “Kabizashi” para combate cuerpo a cuerpo, hecha de un material que puede destruir fácilmente el núcleo de un Gauna. Durante el transcurso de la historia se descubre una manera de producir artificialmente en masa el material del que está construida la lanza, por lo que los Guardianes empiezan a portar un arma de fuego que usa munición es de dicho material. La mayoría de los humanos capaces de pilotar son entrenados y calificados como Guardianes a una edad muy joven.
La trama principal se centra en el joven Nagate Tanikaze, que vivía en los túneles subterráneos de Sidonia, criado allí por su abuelo desde que nació, y que al estar aislado, nunca le permitió conocer a otro ser humano. Nagate entrena diariamente en un antiguo simulador de pilotaje para Guardián. Luego de la muerte de su abuelo, el muchacho se queda sin comida por lo que se ve forzado a salir a la superficie, donde es capturado y seleccionado como piloto Guardián, con la esperanza de defender Sidonia de los Gauna usando sus conocimientos perfeccionados en el simulador.
