身体を機械化された「拡張者（エクステンド）」と生身の人間が混在する社会。拡張者が引き起こす問題を解決する「処理屋」を、乾十三は生業としていた。そして、彼自身も、頭部が銃の「拡張者」だった。ある日、十三は全身拡張者の大男から一人の少年の保護を依頼される。だが、依頼を引き受けた十三の前に、一人のシスターが現れる。孤児院から誘拐されたその少年を引き渡すように言うのだが…
十三は保護を依頼された少年・鉄朗を、巨大企業ベリューレン社の追手に奪われてしまう。シスターと争った際に落下した下水道で、彼は全身拡張者の大男から、鉄朗がベリューレン社からその身に受けたある真相を聞かされる。十三は、鉄朗を乗せて施設に戻る車両を強引に停車させると、再びシスターと相対する。シスターを撃退し鉄朗を匿うべく連れ帰るが、再びベリューレン社から訪れた人物が十三に交渉を持ち掛ける。
九星会が取り仕切る移民街「九星窟」で、子供が何者かに襲われる事件が連続して発生していた。犯人は拡張した手足を奪っては、人目につく場所に吊り下げていることから、反拡張技術派・スピッツベルゲンによる九星会に対する挑発行為だと思われた。十三は九星会から犯人捜しを依頼されるが、彼はこの事件がベリューレン社による自分と鉄朗に対するメッセージと考えていた。
アンとエンデの二人の少女はベリューレン社の命を受けた拡張者だった。カニンガムは二人が役割を果たせなかったことに不満を持つが、そこに現れた鉄朗の姿を見て、十三の「中」が鉄朗だと知り、歓喜に身をよじる。十三に対する本来の目的のため、カニンガムはエンデの自我を奪うことで、暴走させる。暴走拡張者となったエンデを、鉄朗はハルモニエで遠隔操作しようと試みるが、彼自身も限界を迎えていた。
十三が床屋で「銃頭」の手入れを受けていると、復興庁拡張者対策局（ＥＭＳ）のオリビエが姿を現わす。十三がエクステンド法に反した容疑で、その身柄を拘束すると宣言する。十三はオリビエに連行されるが、その車中で彼女は十三との間に交わされた「約束」の履行を求める。そこに逃亡中の囚人が現れ、車列に激突する。拘束具が外れた囚人が暴れだし、一緒に連行されたスカーレットたちに襲い掛かろうとする。
殺人を繰り返しながら逃亡中の囚人・ゴンドリー。十三はオリビエから彼の探索を依頼される。オリビエはゴンドリーを公の場で裁くために、彼を生きたまま連れ戻すよう訴える。十三が殺害の現場を訪れると、クローネンと遭遇する。そこで、十三は被害者たちの関係に気がつき、クローネンと共に「次の被害者」のもとに急行する。それは、初の全身拡張者であり人々に英雄と讃えられる「メガアームド斎」だった。
ゴンドリーの襲撃をかろうじて撃退した十三は、メガアームド斎に彼自身が狙われる理由を尋ねる。それは「ノーズスコットの悪夢」と言われる、ゴンドリーが自軍の兵士を殺害した事件にまで遡ることになる。一方、今回の一連の事件をもみ消すために、復興庁はオリビエを局長から解任する。もはや十三がこの事件に関わる理由はなくなり、クローネンからも手を引くように告げられる。
「ノーズスコットの悪夢」の真相を秘匿していたのは、他ならぬメガアームド斎だった。十三たちが真相にたどり着くことを恐れ、彼らの殺害を試みる。十三はメガアームド斎と互角の戦いを見せるが、蓄積したダメージによりメガアームド斎に敗北する。だが、完全に破壊されたかにみえた十三に内臓されたプログラムが起動し、再び戦闘を再開する。しかし、.その姿は自我を失った狂気のエクステンドだった。
鉄朗や十三の身体のメンテナンスのこともあり、メアリーが乾相談所に引っ越してくる。鉄朗がメンテの途中で、メアリーに拡張技師になった理由を訊ねる。あまり答えたくないメアリーだったが、自分には探している人がいて、技師をしていればまた会えるかもしれない、と思いを吐露する。そこに、ビルの前で行き倒れたエクステンドが担ぎ込まれる。彼はコルトという、メアリーの患者だった。
コルトが手にしていた拡張体パーツは、メアリーの兄・ヴィクターによるものだった。ヴィクターの手がかりを求めて、鉄朗とメアリーはコルトを追う。その途中、爆発騒ぎが起こるが、それはコルトによるものだった。彼はベリューレンへのテロ行為の実行者だった。十三も依頼をうけて、反拡張技術主義団体であるスピッツベルゲンに繋がる男を追跡していたが、やがてスピッツベルゲンの真の目的を知ることになる。
十三と同じ「ガンスレイブユニット」のセブンと、それを制御可能な「ハンズ」のペッパーが十三の事務所に現れる。ペッパーはベリューレンの意向ではなく、個人的な要件で訪れたと告げる。それは十三を自身の所有物にするというものだった。十三とセブンの戦闘が始まる。だが鉄朗が介入したことで、ペッパーたちは退却するが、十三は大きな痛手を負う。そんな中、十三に奇妙な依頼が舞い込む。
事故で両親を失ったローサの身の回りに不審な出来事が続いていた。ついには「拡張者の霊」を見たという者までが現れ、その「亡霊」からの護衛の依頼を、十三は半信半疑ながらも引き受けることになった。しかしローサは、拡張者に強い警戒心を抱いており、十三は話をすることもかなわず、部屋の外に追い出される。だが、十三は「拡張者の亡霊」と遭遇し、事件の真相に迫ることになる。
乾相談所が反拡張主義の「スピッツベルゲン」に襲撃される。彼らは十三がローサから手に入れたデータを目的としており、鉄朗とクリスが人質として拉致されてしまう。メアリーは突如現れたレフティに促されるまま進むと、意外な人物と遭遇する。それは、彼の兄であるヴィクターだった。ヴィクターはスピッツベルゲンのテロ部隊の一員となっており、拡張体を瞬時にバラバラにしてしまうことから「解体者」と呼ばれていた。
メアリーが再会を果たした実の兄・ヴィクターは、彼女が知るかつての彼とは 大きく変わっていた。困惑するメアリー。十三とも深い因縁があり、 彼も驚きを隠せなかった。スピッツベルゲンの襲撃を退けた十三とメアリーは ヴィクターの捜索に九星窟に向かう。 その途中、十三はヴィクターから受けた、メアリーにまつわる依頼の話をする。 ヴィクターのアジトにたどり着き、その真意を問いただそうとするが、 そこにEMSが姿を現す。
スピッツベルゲンのアジトで十三とヴィクターの激しい戦闘が繰り広げられていた。ヴィクターは十三の隙をつき、「解体者」の二つ名が示すように、瞬時に十三の身体の解体を始める。十三の身体が軋みを上げる中、ヴィクターは十三の過去について語りだす。拘束され身動きができないメアリーは、意外な方法で脱出を試みる。ヴィクターを倒すため、十三とメアリーは起死回生の方法をとるのだが…
十三とヴィクターの戦闘は終結を迎えたが、そこにＥＭＳのアヴィ・コーボが姿を現す。ヴィクターの身柄を確保するため、メアリーを人質にとり、ヴィクターの「本体」の居場所を問い詰める。アヴィの「交渉」に割って入る十三だったが、その身体は満身創痍で彼にはもはやなす術がないかに見えた。しかし、その身体は突如変形をはじめ、誰もが予想しえない姿へとなっていく。
スピッツベルゲンとの抗争がひとまず終結を迎えた後、十三はスカーレットの父親の床屋を訪れる。父親に頭部の整備を依頼し、久々に平穏な時間を過ごしていた。すると、店に中年の男性客が入ってくる。スカーレットが対応するが、彼女が行動をおこす度に奇声を発し悶絶するのだった。理由も分からずスカーレットが困惑していると、そこにメアリーが現れる。彼女は中年男性の言動に不審な空気を感じる。
相談所にエマと名乗る女性が訪れる。十三の頭を見てもまったく動ずることがない彼女は、夫を捜して欲しいと言う。彼女の夫はエドムントといい、十三と同じく全身拡張者だった。夫の話から誰かに危害を加える可能性があることを悟り、十三に依頼してきたのだった。従軍経験のあるエドムントの経歴を探るため、十三は復興庁に向かうが、彼の情報には制限がかけられていた。十三はそこに上層部の意図を感じ取る。
エドムントが探しているのは、十三と同じガンスレイブユニットの「ファイブ」だった。だが十三から意外な真実が告げられ、エドムントは激しく動揺する。そして彼もまた、ファイブとの関係を告白する。それは大戦の終結間近、ファイブがエドムントを恨む原因となった出来事だった。一方で、鉄朗とメアリーも、ガンスレイブユニットと十三の関係について、ある疑問を抱いていた。
己の過去に苦悩する鉄朗は、十三の身体を乗っ取り、ウォシャウスキー博士の元を訪れる。彼こそは、ベリューレンと共に拡張技術を生み出した人物だった。そして、鉄朗のハルモニエが、ガンスレイブユニットに対してある重要な機能を有していることを明らかにする。鉄朗を確保すべく、島津たちが十三を取り囲む。かつて十三に敗北した島津は復讐を企図していた。
鉄朗は自身の理想を貫くため、ウォシャウスキー博士と対峙する。だが、自らをエクステンド化した博士に苦戦を強いられる。戦闘の中で鉄朗はハルモニエを使うが、それは博士が想定しえないものだった。一方、島津を倒した十三は功木と対峙していた。全身に功木の針を受けた十三は満足に身体が動かせない状況に追い込まれるが、今から相手をするのは島津だと告げられる。十三は困惑するが島津は意外な正体を明らかにする。
十三とセブンの激しい乱戦の中、功木は気を失って倒れる鉄朗の扱いを思案していた。そこに姿を現したのはクローネンだった。かつては同門の士であったが、いまや立場を異にする二人は戦闘を開始する。十三はセブンとの戦いの中で、過去に思いを馳せる。ただの戦いの道具でしかなかったかつての自分の姿にセブンを重ねる。十三が有利に戦いを進めるように思われたが、セブンはさらなる変化を始める。
十三にハルモニエを使った鉄朗は、彼の戦争中の記憶を目の当たりにする。それは十三が、仲間ともいえる同型のガンスレイブユニットに行った悲劇だった。十三と鉄朗が昏倒する中、クローネンとセブンの戦闘が繰り広げられ、そこにベリューレンの私兵が乱入する。混戦状態となるが、ペッパーは多くの市民が自分たちに注目しているのを知り、セブンに思いもよらぬ命令を下す。
ペッパーは幼い頃、孤児としてベリューレンに拾われるが、拡張処理との適合性が低いため「廃棄」されることになる。しかし、その前に最後の機会が与えられる。それはガンスレイブユニットを制御下に置くための「ハンズ」の移植処理に耐えられるかという試練だった。そこでペッパーはガンスレイブユニット7番機に出会う。強力な兵器ではあるが、不安定な個体のため適合者が見つからないとのことだった。
