L'action se déroule en 2356. Il y a 180 ans, une grande explosion dans l'espace a provoqué de graves dégâts sur la Terre. Cette dernière se porte désormais bien, grâce à l'action des anciens. Toutefois, le système solaire est sous la menace d'une nouvelle onde de chocs.
Stellvia est le nom d'une des nombreuses fondations spatiales construites par les humains. L'animé présente le parcours de Shima Katase, une jeune apprentie pilote qui débarque sur Stellvia.