Buddy Complex สงครามทะลุมิติ เป็นเรื่องราวในโลกอนาคต การทำสงครามระหว่าง พันธมิตรสนธิสัญญาเสรี กับ สาธารณรัฐโซจีเลีย ที่ต้องการขยายอิทธิพลของตนเองไปทั่วโลก นับตั้งแต่มีการค้นพบพลังงานใหม่ที่เรียกว่า เนคโตริเบียม สงครามประทุขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 21 แม้ทางฝ่ายสาธารณรัฐโซจีเรียจะได้เปรียบในสงคราม แต่ฝ่ายพันธมิตรสนธิสัญญาเสรีได้พยายามซุ่มพัฒนาระบบการต่อสู้ในหุ่นรบที่เรียกว่า Coupling System ที่ใช้นักบินสองคนประสานทักษะการรบร่วมกันได้

ในโลกปัจจุบัน วันที่ 1 เดือนกันยายน ปี ค.ศ. 2014 วาตาเซะ อาโอบะ นักเรียนมัธยมปลายได้กลับมาเจอเพื่อนๆ สนิทของเขาที่โรงเรียนหลังจากสิ้นสุดการปิดภาคเรียนฤดูร้อน ทั้งยังได้เจอกับ ยูมิฮาระ ฮินะ สาวน้อยเพื่อนร่วมชั้นที่ชอบแอบเฝ้ามองตนเองอยู่เสมอ ทว่า… ในวันเดียวกันนั้น จู่ๆ อาโอบะกลับถูกจ้องเอาชีวิตจากหุ่นยนต์ยักษ์ไม่ทราบที่มาและจุดประสงค์แท้จริง ระหว่างที่ต้องพยายามหนีเอาชีวิตรอดนั้น ได้มีหุ่นยนต์ยักษ์อีกตัวหนึ่งเข้าขัดขวาง ซึ่งมี ฮินะ เพื่อนสาวร่วมชั้นเป็นนักบิน

โชคชะตาได้ชักนำให้อาโอบะเข้าไปสู่ห้วงเวลาแห่งสงคราม เมื่อ ฮินะ พาตัวเขาเดินทางข้ามกาลเวลาไปยังโลกอนาคตปี ค.ศ. 2088 ในอีก 70 ปี เพื่อที่จะให้อาโอบะได้ไปพบ ดิโอ ที่กำลังรอเขาอยู่เพื่อจุดประสงค์บางอย่าง…