Texhnolyze transcurre en Lux, una oscura ciudad subterránea donde la población sobrevive entre el miedo y la desesperación bajo el control de facciones criminales rivales. Casi completamente aisladas de la superficie, las bandas dependen de la extracción de raffia, la rara sustancia que da sentido a la ciudad y sustenta los trasplantes cibernéticos conocidos como texhnolyze. Estos implantes pueden sustituir partes del cuerpo humano sin desencadenar una respuesta inmunitaria, y la influyente Clase los utiliza para sus investigaciones mientras vela por el frágil orden de Lux.
La Clase delega su autoridad ejecutiva en Organo, dirigido por Keigo Oonishi, un hombre altivo cuyos propios miembros texhnolyzados, según se dice, le permiten oír la voz de la ciudad. Ese inestable equilibrio empieza a derrumbarse cuando un misterioso visitante, Kazuho Yoshii, desata una cadena de crímenes que enfrenta a las bandas entre sí.
A medida que la violencia se extiende, nuevas figuras se ven arrastradas al conflicto: Ichise, un exboxeador mutilado por Organo y posteriormente texhnolyzado por Eriko "Doc" Kamata; y Ran, una joven florista capaz de ver el futuro. Mientras Lux se hunde cada vez más en la locura, Ichise y Ran pasan a ser centrales en la mayor crisis a la que la ciudad se ha enfrentado jamás.