《剧场版 超时空要塞F 虚空歌姬》故事承接电视动画版。边界星系，统合军与杰特拉帝人的战争虽已结束，但新的危机悄然降临。早乙女阿尔特、雪露·诺姆和兰卡·李等角色再度登场。雪露被诊断患重病，她在演唱会上宣布隐退。然而，神秘的歌姬玛奥出现，她的歌声能引发特殊现象。阿尔特在与玛奥接触过程中，逐渐揭开她背后的秘密。兰卡也在成长中面临着对阿尔特感情的抉择。随着调查深入，众人发现玛奥与古代文明的虚空歌姬有着紧密联系，而这背后隐藏着巨大阴谋。最终，阿尔特等人凭借歌声和勇气，化解了危机，守护了和平与爱。