《Muv-Luv ATE》讲述2001年10月22日，身为普通高中生的男主角白银武一觉醒来，发现自己进入了一个平行世界。在这个平行世界里，地球人数十年来都与带有敌意的外星生命体BETA苦战着；而他就置身于因此而荒废的柊町。在这个一切都改变了的世界重新出发的武加入了联合国军，并参与了对抗BETA的最后手段，拯救人 类的ALTERNATIVE4计划。为此他成为联合国军卫士（巨大人型兵器战术机的驾驶员）并和伙伴们一起努力。但到了12月24日，人类放弃了最后的奋斗而启动了放弃地球的ALTERNATIVE5计划。（到此为止是前作Muv-LuvUNLIMITED篇的剧情）而在此三年后，睡醒时发现再次置身于自家卧室的武，以为自己已经回到原来的世界，然而户外的景象却和三年前相同。日历上的日期是2001年10月22日。武发现自己经过时间跳跃又一次来到了充满战乱的平行世界，而在此，他决定以唯一知道这个世界的未来的人类的身分，为了完成ALTERNATIVE4计划而再次敲开联合国军横滨基地的大门。再次被编入207实验部队的武，带着3年之间的军事经验和未来的记忆，以及不输给伙伴们的觉悟，再次迎向挑战。时间只剩下两个月左右。究竟武是否能达到目的，人类又是否能战胜BETA呢