『革命機ヴァルヴレイヴ』の舞台は、真暦71年である。人類は宇宙へと進出し、独立した宇宙コロニーで暮らしている。世界は、アトランティック・リム・ユナイテッド・ステイツ(ARUS)とドルシア軍事盟約連邦という二大勢力に分かれ、その対立は地球から星々へと広がっている。その間に立つのが、日本とオセアニア共和国の島々からなる第三勢力JIORであり、中立を保って戦争から距離を置くことで繁栄している。
物語は宇宙のJIORコロニーから始まる。桐嶋ハルトの静かな日常は、サキモリ学園の地下に隠されたヴァルヴレイヴを探して、ドルシア艦隊が突如攻撃を仕掛けたことで崩れ去る。コロニーがパニックに陥る中、ハルトは機体の一つと向き合い、その力と引き換えに人間性を失う契約を結ばされる。自分の想像をはるかに超える争いへ巻き込まれた彼は、謎めいたドルシアの工作員であり卓越した戦略家でもあるエルエルフと、思いがけない協力関係を結ぶ。こうしてハルトとヴァルヴレイヴは、世界を解放する革命の火種となっていく。