《ZEXAL》的故事发生在近未来都市“心之地市”，而《ZEXALII》里则转往两个更高次元的世界：“星光界”和“巴利安世界”(又译异晶人世界，下同)。在心之地市盛行AR决斗(AR·デュエル)，AR意为扩增实境，在规则和一般站立式决斗无异。决斗者需使用“D视镜(D・ゲイザー)”和“D面板(D・パッド，D Pad)”进行决斗，这些装备只用于提升作中角色视角的视觉效果。《ZEXAL》的主流召唤方式是超量召唤(エクシーズ召喚)，借由将两个以上的怪兽“叠放”而召唤超量怪兽入场，在超量怪兽中有100张“编号怪兽”，是主角欲搜集的目标。

中学生九十九游马与学校头号不良少年神代凌牙决斗，而这场决斗改变游马的命运。于该决斗中，出现在九十九游马梦里的诡异大门突然出现，并由九十九游马利用挂坠打开。大门散发出无数光芒，站著九十九游马身旁的是从异世界来的神秘生命体阿斯特拉尔，为取回阿斯特拉尔失去的记忆，需要拿回99张编号怪兽，因此九十九游马及阿斯特拉尔两人开始一起行动。

阿斯特拉尔出现真正目的是什么?新的怪兽“编号怪兽”的存在到底是何方神圣?面对持续出现在游马面前的强力劲敌，阿斯特拉尔身上的谜团也逐渐明朗。而本作就是讲述这搭挡缔造的新决斗传说。

在黑心公司工作的佐藤亮太，回过神时发现来到了异世界。虽然等级上限只有1，但亮太却拥有掉落率全都是S等级的超级固有技能，不断通过技能来提升能力，即使等级只有1也要成为最强。

对音乐一窍不通的孔却却是以唱作全能见称的偶像歌手，原因是背后为之代唱的胡历。胡历有着极高的音乐天赋，但由于脸上的伤疤导致无法站在台前。为了赚钱治疗住院的母亲，情愿放弃自己的音乐梦想，签下巨额的契约站在幕后做孔却的代唱。正当一切事情风平浪静的时候，却被一个神秘人揭露了代唱的秘密。巨额的违约金和社会的众多舆论，将胡历逼上绝路。这时孔却的对手纪鹤天的出现改变了胡历悲惨的命运。在自己的努力和朋友的帮助下，最终胡历勇敢地站上了舞台，重拾回自己的梦想。然而这美好的一幕背后却隐藏更大的阴谋。

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