Xam'd: Lost Memories gira en torno a Akiyuki Takehara, cuya vida tranquila en la isla de Sentan está marcada por su aislamiento en el mar de Yuden y por la guerra entre el Gobierno del Norte y la Zona Libre del Continente del Sur. Vive con su madre, Fusa, y al mismo tiempo mantiene una estrecha relación con su padre, Ryuzo, el médico del pueblo. La apacible rutina de la isla se hace añicos cuando una explosión en la escuela y un misterioso destello de luz le infectan el brazo, lo dejan con un dolor intenso y despiertan un poder que no comprende. La chica de pelo blanco que viajaba con él en el autobús se convierte en la primera persona que lo guía a través del aterrador cambio que empieza a apoderarse de él.
Mientras Akiyuki intenta entender lo ocurrido, el frágil equilibrio de la isla de Sentan comienza a derrumbarse bajo la presión de fuerzas muy lejanas al pueblo. Sus amigos Haru y Furuichi también quedan atrapados en el incidente, y lo que empieza como un desastre local pronto se expande hasta convertirse en un conflicto mayor ligado al mundo dividido que existe fuera de la isla. Atrapado entre su familia, sus amigos y la fuerza desconocida que lleva dentro, Akiyuki debe decidir si resistirse a la transformación que lo invade o aprovecharla para sobrevivir a las batallas que le esperan.
