黑暗能量在地球深处蠢蠢欲动，未知的怪兽接连现身，城市陷入恐慌。年轻的科学家大空大地意外获得神秘装置「艾克斯终端」，与来自未知次元的奥特战士「艾克斯」融合，成为人类最后的希望。然而，每一次变身都在消耗他的生命力。
军方特殊部队「XIO」的成员们各怀信念：队长神木正太郎坚持用科技对抗怪兽，队员山濑明日奈则主张与奥特曼合作。当地底文明「暗黑雷暴」的阴谋逐渐浮出水面，艾克斯奥特曼必须与XIO联手，在守护人类的同时揭开自己身世的谜团。最终决战中，大地面临生命耗尽的风险，仍选择释放全部力量，与艾克斯共同击败了企图吞噬地球的暗黑魔神格利扎。