2019年，現代科技高度發達，機器人普及到人類世界的方方面面。中央種子島高中機器人部，是一個只有兩個人的小團體，癡迷於掌上遊戲的八汐海翔（木村良平 飾）和超級喜歡機器人的部長瀨乃宮秋穗（南條愛乃 飾），面臨因人數過少而廢部的局面。小秋夢想帶著本部最大的夢想——等高大小的機器人GUNVARL參加來年舉行的東京市博會。爲了順利徵得經費，機器人部必須在ROBO-ONE大賽上取得優勝。峰迴路轉、緊張刺激的比賽後，機器人部順利存活，還吸納了在機械方面擁有極高天賦的日高昴（細谷佳正 飾）入部。巨型機器人的建造有條不紊地進行著，瑰麗的夢想恣意綻放，而陰謀的黑影也悄悄籠罩種子島，這一切全與九年前的事件息息相關……
本片根據志倉千代丸的原作改編。