Outlaw Star raconte l'histoire du hors-la-loi Gene Starwind et de son associé de onze ans, Jim Hawking. Ensemble, ils dirigent une petite entreprise à tout faire sur la planète Sentinel III. Après avoir accepté un poste de garde du corps pour un mystérieux hors-la-loi, ils se retrouvent propriétaires du XGP15A-II, un prototype de vaisseau spatial très avancé, et gardiens d'un bio-androïde nommé Melfina.

Dans un avenir proche, lors de recherches sur un site babylonien, Delphius, un scientifique va commettre un acte terroriste en déclenchant un pouvoir inconnu jusqu'alors. Ce qu'on appellera "Twin X" provoqua un orage magnétique couvrant la planète d'un ciel opaque, bloquant ainsi toute source d'électricité.

Quelques années plus tard, les deux enfants du scientifique, Kiyoko et Tatsuya, vont se retrouver convoiter par deux groupes dont l'enjeu est l'avenir du monde, la Comptesse de Werdenberg et ses ados aux pouvoirs télékinésiques et le mystérieux Gilgamesh.