Cowboy Bebop transcurre en 2071, cuando la humanidad se ha expandido por toda la galaxia y ha llenado otros planetas con asentamientos que resultan a la vez familiares y profundamente anárquicos. En estas nuevas sociedades abundan el asesinato, el consumo de drogas, el robo y la desesperación, y los forajidos intergalácticos son perseguidos por un número cada vez mayor de despiadados cazarrecompensas.
Spike Spiegel y Jet Black van de un trabajo a otro a bordo del Bebop, intentando ganarse la vida modestamente mientras cargan con el peso de unos recuerdos que nunca acaban de quedar enterrados. Spike oculta un pasado violento bajo su fachada desenfadada y distante, mientras Jet mantiene la nave en pie y lidia con su propio pasado conflictivo. La tripulación crece poco a poco con la llegada de Faye Valentine, una bella timadora con sus propios intereses; Edward Wong Hau Pepelu Tivrusky IV, un niño excéntrico con habilidades extraordinarias; y Ein, un corgi galés de bioingeniería cuya presencia completa esta extraña pequeña familia.
A medida que la tripulación del Bebop estrecha lazos y da caza a una variopinta galería de criminales por el espacio, su rutina se ve sacudida una y otra vez por una amenaza vinculada al pasado de Spike. El plan maniaco de un rival se desarrolla en segundo plano, obligando a Spike a enfrentarse a la vida que intentó dejar atrás y a la familia que ha encontrado a bordo de la nave. Entre el trabajo de cazarrecompensas, viejos rencores y lealtades inciertas, la tripulación debe decidir qué es lo que más importa cuando el pasado finalmente llama a la puerta.