Resumen : En l'an 2015, sur la Terre. Noriko Takaya apprend la mort de son père, capitaine du vaisseau spatial Luxion, suite à l'assaut d'une force extraterrestre d'origine inconnue. Pleine de fierté envers son père, elle décide de suivre son exemple et s’inscrit dans une école de cadets de l'espace afin de devenir pilote de robots géants de combats. Si au début, l'apprentissage lui semble rude, sa rencontre avec la meilleure élève de dernière année, Kazumi Amano (qu'elle appelle affectueusement "grande sœur") lui redonne du courage. Le même jour de sa rencontre avec Kazumi, un nouveau coach, Ôta, arrive à l'école des cadets. Ses méthodes d'entraînement sont pour le moins déconcertantes: à la stupeur générale, il choisit Noriko, qui vient juste de s'inscrire, pour partir en mission spéciale aux côtés d'Amano. Bien que cette sélection suscite de vives jalousies auprès des autres cadettes, le coach encourage Noriko à croire en elle car il est certain qu'elle a des dispositions importantes pour être pilote de combat. Effectivement, après un entraînement quotidien épuisant, Noriko parvient rapidement à surpasser certaines élèves de dernière année !

Noriko et Kazumi quittent donc la Terre pour une station orbitale où elles font la connaissance de Jung Freud, une jeune Russe surnommée le "génie du pilotage", et qui deviendra leur amie après une confrontation mouvementée. Puis, Kazumi et Noriko partent pour leur première mission: identifier un objet inconnu qui se déplace très rapidement dans l'espace. Elles doivent agir extrêmement vite car les secondes passées à vitesse subluminique subissent une distorsion temporelle régie par les lois de la Relativité: six moins entiers ont passé sur Terre tandis que seule une minute s'est écoulée pour les jeunes filles. L'objet est identifié, il s'agit de l'épave du fameux Luxion, mais à l'intérieur, Noriko ne parvient pas à trouver une trace de son père, et pour cause: le poste de pilotage est détruit.

Les jeunes pilotes quittent ensuite la station orbitale pour un vaisseau de guerre, l'Exelion. Noriko y rencontre un garçon de son âge, Toren Smith, qui lui propose de faire équipe avec lui après que Kazumi a demandé à changer de partenaire. Tous deux doivent combattre une formation d'extra-terrestres qui ont transformé une jeune étoile en étoile déclinante. Toren demande à Noriko de lui assurer une couverture pendant le combat mais les ennemis se déplacent tellement vite que la jeune fille n'a pas le temps de réagir. Désespérée, elle se rend compte que son équipier ne répond plus à ses appels. De retour à la base, elle apprend sa mort...

Sur l'Exelion, on prend conscience que les ennemis implantent leurs œufs dans de jeunes étoiles pour se reproduire, faisant décliner celles-ci de manière prématurée, et on craint qu'ils ne s'en prennent aux humains qui gênent leur évolution. Aussi, le coach entraîne secrètement Noriko pour la former au pilotage du Gunbuster, un robot expérimental qu'il a conçu. Mais, traumatisée par la mort de Toren, elle ne supporte plus de se retrouver dans l'espace. C'est alors que la flotte terrienne est attaquée durant son voyage de retour sur la Terre par les aliens qui désormais connaissent la position du système solaire. Alors que la situation devient critique, Noriko se reprend et décide de prendre le Gunbuster, même s'il n'est pas totalement opérationnel. Bien que les armes du Gunbuster soit inefficaces contre les ennemis, Noriko parvient à détruire leur vaisseau-mère, en usant de ruse.

A leur retour sur Terre, en l'an 2032, Noriko et Kazumi reçoivent leur diplôme de l'Académie de Pilotage. Mais dix ans se sont écoulés et Noriko est interloquée de retrouver sa meilleure amie, Kimiko Akai, à présent âgée de 27 ans et mère d'une petite fille. Dans le même temps, Kazumi déclare son amour à Ôta, qui est gravement malade. Kazumi voudrait démissionner pour lui mais le coach refuse: il vient de construire un nouveau modèle de Gunbuster, qui nécessite deux pilotes. Il a besoin d'elle pour épauler Noriko. Les deux jeunes filles testent le nouveau prototype alors que l'ennemi s'apprête à attaquer la Terre. Noriko parvient à donner du courage à Kazumi, qui redoute que le coach décède durant l'attaque (six mois vont à nouveau s'écouler sur Terre) et ensemble elles parviennent à détruire la flotte alien. Un bonheur n'arrivant pas seul, Ôta a réussi à surmonter sa maladie. Hélas, ce bonheur est de courte durée car il décède dès l'année suivante.

15 années plus tard, en l'an 2048, Kazumi, qui est devenue coach à l'école des cadets, s'est portée volontaire pour une nouvelle mission spatiale. En effet, une force extra-terrestre a été à nouveau détectée dans l'espace. Celle-ci cherche à s'emparer du soleil pour y implanter ses œufs ! Le seul moyen de s'en débarrasser, est de créer un gigantesque trou noir qui détruira complétement la galaxie ! Noriko vient prêter main forte à Kazumi pour cette mission ultime. Cependant, la bombe qu'elles doivent utiliser ne fonctionne pas. Noriko décide alors de sacrifier le réacteur de son Gunbuster pour le faire exploser...