新宿の裏通り界隈を根城にするホームレスの中年男性ギン、オカマのハナ、家出娘のミユキはクリスマス・イヴの夜、ゴミ置き場に捨てられた赤ん坊を発見。ギンは赤ん坊を警察に届けようとするが、子どもを育てることが夢だったハナは赤ん坊を勝手に《清子》と命名し、自分たちで親探しをしようと決める。だが、手がかりになりそうなものは赤ん坊と一緒にあったわずかな写真と名刺だけ。翌日、3人は写真の場所を探して歩き回る。

宝町で暮らす親を知らない少年クロとシロ。町で“ネコ”と呼ばれるふたりは、かつあげやかっぱらいで暮らしていた。その町で“子供の城”の建設話が持ち上がる。しかし、それは古めかしい宝町を近代化して支配しようとするヤクザの仕業。昔気質のヤクザのネズミは反対するが、彼のボスは謎の男“蛇”にこの計画を一任していた。残酷な蛇はクロとシロを邪魔者だと判断し、刺客をおくる。ケンカでは誰にも負けない凶暴なクロだったが、刺客の前では手も足も出ない。そして追いつめられたシロは刺されてしまう…。

すべてが朱に染まる夕暮れ、篠原重工の天才プログラマー・帆場暎一が、バビロンプロジェクトの要となるレイバー用海上プラットホーム「方舟」から投身自殺する。その口元に嘲りの笑みを浮かべながら…。これが、すべての始まりであった。 時期を同じくして、レイバーが突如暴走する事件が多発。遂には自衛隊の試作レイバーまでが無人で暴走事件を起こす。 特車二課第1小隊は、近々正式配備される新型パトレイバー（通称「零式」）に関する研修中のため不在。単独で暴走事件の処理に追われる第2小隊の篠原遊馬巡査は、多発する暴走事件の異常性にいち早く気付いて独自に調査を始め、原因が暴走した機体すべてに搭載されていた篠原重工製の最新レイバー用OS「HOS」(Hyper Operating System)ではないかと推測する。また、同様の疑念を抱いていた第2小隊長・後藤喜一警部補は、「HOS」の主任開発者だった帆場の捜査を、本庁の松井刑事に依頼していた。 遊馬の調査の結果、「HOS」が意図的に引き起こす暴走が事件の原因で、暴走の引き金が強風によって建造物から発せられる低周波音であることが明らかとなるが、知らせを受けた警視庁上層部や政府は、有力企業である篠原重工との関係やHOSを認可した国の責任問題の隠蔽を重視し、旧OSに戻すこと（公式には「HOS」のバージョンアップと称される）で政治的決着を図ろうとする。 そしてすべての謎が解明された時、大規模な暴走の引き金となる強風=台風の接近と、その台風により大音量の低周波音を発する東京湾上の浮遊建造物「方舟」を解体するため、第2小隊は「方舟」に向けて緊急出動する。

世界大戦後の廃墟で生き延びていた女性兵士デュナンは、人類への奉仕者として肉体・感情を制御されたクローン人間バイオロイドの管理する理想都市オリュンポスに連行され、そこで全身サイボーグ化していた恋人ブリアレオスと再会する。彼の所属する元老院ESWATの一員となったデュナンは、やがてバイオロイドの開発とオリュンポス計画に自分の両親が関わっていた事実を知り、自身もバイオロイドの軛を解き放つ鍵「アップルシード」をめぐる陰謀に巻き込まれていく。

日本が津軽海峡を挟んで分割占領された戦後世界。 1996年、北海道は「ユニオン」に占領され、「蝦夷」と名前を変えていた。「ユニオンの塔」と呼ばれる塔を建設し、その存在はアメリカとユニオンの間に軍事的緊張をもたらしていた。青森に住む中学３年生の藤沢浩紀と白川拓也は、飛行機を自力で組立て、そこまで飛ぶことを夢見ていた。また２人は同級生の沢渡佐由理に恋心を抱いており、いつの日にか自分たちの飛行機で、佐由理を塔まで連れて行くことを約束する。しかし、佐由理は何の連絡も無いまま姿を消し、浩紀は東京、拓也は地元の高校へ進学し、彼女が消えた喪失感を埋め合わせるように日々を送る生活が続いた。

過去の「感染」よって、正常な機能を失い無秩序に、そして無限に増殖する巨大な階層都市。都市コントロールへのアクセス権を失った人類は、防衛システム「セーフガード」に駆除・抹殺される存在へと成り下がってしまっていた。都市の片隅でかろうじて生き延びていた「電基漁師」の村人たちも、セーフガードの脅威と慢性的な食糧不足により、絶滅寸前の危機に瀕してしまう。少女・づるは、村を救おうと食糧を求め旅に出るが、あっという間に「監視塔」に検知され、セーフガードの一群に襲われる。仲間を殺され、退路を断たれたその時現れたのは、“この世界を正常化する鍵”と言われている「ネット端末遺伝子」を求める探索者・霧亥（キリイ）であった。