《尼尔：机械纪元动画版》故事设定在被机械生命体侵略的未来世界。人类早已离开地球，在月球建立了据点。为夺回地球，人类派人造人部队与机械生命体作战。主角 2B 是一名战斗能力卓越的人造人战士，她与搭档 9S 一同执行各种危险任务。在一次任务中，他们深入机械生命体的据点，遭遇了强大的敌人。战斗过程中，9S 展现出了对机械生命体深层信息的探查能力，而 2B 则凭借精湛的剑术与敌人近身搏斗。随着任务推进，他们逐渐发现机械生命体背后隐藏着惊人的秘密，这些秘密不仅关乎人造人的身世，也与人类的真正命运息息相关。在不断的战斗与探索中，2B 和 9S 的关系也在悄然变化，他们在残酷的战争中相互扶持，共同面对未知的挑战。