La storia è ambientata a Kamakura, in Giappone, e ruota intorno ai Diclonius, esseri mutanti molti simili agli esseri umani ma con due strane corna sul capo e dotati di fortissimi arti invisibili chiamati "vettori". Essendo pericolosi per la normale razza umana, i bambini Diclonius vengono uccisi alla nascita o rinchiusi in laboratori di ricerca, sottoposti a terribili torture e ad esperimenti estremamente violenti. Una di loro, Lucy, riesce però a fuggire verso il mare, massacrando qualunque persona le si pari innanzi. Viene ritrovata sulla spiaggia da due ragazzi in un completo stato di amnesia e personalità doppia, causati da un colpo sparatole in testa durante la fuga. La giovane Diclonius si ritrova con una personalità completamente diversa e i due ragazzi decidono di chiamarla con la sola parola che riesce a pronunciare, ovvero "Nyu". Non potendola lasciare sola in quelle condizioni, la portano a casa in attesa di scoprire qualcosa sul suo passato. Ma i militari non si arrendono e rimangono sulle sue tracce. Per di più ogni volta che la ragazza sbatte la testa ritorna ad essere Lucy. Un giorno di malattia Lucy/Nyu ricorda il suo passato nell'orfanotrofio e la prima volta in cui uccise. Anche Kōta aveva dimenticato il suo passato a causa dello shock subito per la morte violenta di suo padre e sua sorella. Anche lui riacquisterà la memoria, ricordando che a uccidere i suoi cari era stata proprio Lucy. Inoltre Lucy non è l'unica della sua specie; al Centro di Ricerche rimangono numerosi Diclonius e alcuni di loro verranno incaricati di collaborare con i militari per abbattere la fuggitiva, come Nana, diletta di uno dei più importanti ricercatori, o Mariko, figlia dello stesso. Alla fine gli eventi porteranno ad uno scontro decisivo dove Lucy dovrà affrontare Mariko e i soldati