"ALDNOAH.ZERO" spielt in einer alternativen Zukunft, in der die Menschheit nach der Entdeckung einer hyperfortschrittlichen Technologie namens Aldnoah auf dem Mars eine Zivilisation gegründet hat. Nach einem Konflikt zwischen der Erde und dem Mars, bekannt als der "Himmlische Fall", kommt es zu einem Waffenstillstand, der jedoch brüchig bleibt. Die Marsianer, die sich als überlegen betrachten, haben sich von der Erde abgespalten und eine aristokratische Gesellschaft gebildet, die von den Versallianern regiert wird.

Die Handlung beginnt mit einem scheinbaren Friedensabkommen zwischen Erde und Mars, das jedoch schnell zerbricht, als Prinzessin Asseylum Vers Allusia, die Enkelin des Marskaisers, während eines Besuchs auf der Erde einem Attentat zum Opfer fällt. Dieses Ereignis löst einen erneuten Krieg aus, da die Marsianer die Erde für den Angriff verantwortlich machen. Die Erde wird von den überlegenen Mars-Kataphrakten, riesigen Kampfmaschinen, die mit Aldnoah-Technologie ausgestattet sind, überrannt.

Im Zentrum der Geschichte stehen zwei Protagonisten: Inaho Kaizuka, ein ruhiger und analytischer Schüler, der auf der Erde lebt, und Slaine Troyard, ein junger Mann, der auf dem Mars aufgewachsen ist und eine enge Verbindung zu Prinzessin Asseylum hat. Inaho schließt sich den irdischen Streitkräften an, um gegen die Marsianer zu kämpfen, während Slaine in die politischen Intrigen des Mars verstrickt wird. Beide Charaktere verfolgen unterschiedliche Wege, sind jedoch durch ihre Beziehung zur Prinzessin miteinander verbunden.

Die Serie zeigt die militärischen Auseinandersetzungen zwischen den irdischen Streitkräften, die mit konventioneller Technologie kämpfen, und den Marsianern, deren Kataphrakte nahezu unbesiegbar scheinen. Inaho entwickelt innovative Taktiken, um die überlegenen Feinde zu besiegen, während Slaine versucht, die Wahrheit über das Attentat auf die Prinzessin aufzudecken und seinen Platz in der marsianischen Hierarchie zu finden.

Die Handlung ist geprägt von politischen Intrigen, moralischen Dilemmata und den Auswirkungen des Krieges auf die beteiligten Charaktere. Die Prinzessin Asseylum spielt eine zentrale Rolle, da sie sowohl als Symbol für den Frieden als auch als Schlüsselfigur im Konflikt zwischen den beiden Welten dient. Die Serie endet mit einem offenen Finale, das Raum für Interpretationen lässt und die Komplexität der Charaktere und ihrer Beziehungen unterstreicht.