惑星タビトに住む「学」とその兄「護」の自慢は、銀河鉄道の安全を守る空間鉄道警備隊、通称SDFの小隊長として活躍する父親の渉。ある日、父が指揮を務める小隊の車輌「ビッグワン」が惑星タビトに立ち寄ることになり、親子は再会に喜ぶ。しかし、その安息も束の間、父の小隊にスクランブル発進命令が下される。別れを惜しむ学と護は、内緒で父の指揮する車輌「ビッグワン」へと乗り込む。そして、父と共に宇宙へ旅立つことに…。

空間鉄道警備隊（SDF）の入隊試験に合格した学は、引き止める母カンナを説き伏せ、故郷のタビトに別れを告げた。銀河鉄道全線の始発駅であり、SDFの本拠地“惑星ディスティニー”へと向かうために550号に乗り込んだ学は、同じくSDFに入隊するルイと車内にて偶然出会う。突然、学とルイを乗せた列車は、コントロールを失い宇宙空間の時空のひずみ「時の結び目」に吸い込まれてしまう。タイムスリップして辿り着いたのは、5年前の砂漠の惑星ハクメイ。そこで、学は宇宙海賊と戦う5年前の兄・護と出会うのであった…。

SDFに入隊した学は父親の渉と同じシリウス小隊に配属された。そこで待っていたのは新入りの学に対して冷たい態度をとる先輩のブルース。落ち込んでいる学に620号列車で立てこもり事件発生との連絡があった。隊長のバルジから、ブルースとのコンビでの作戦遂行を命じられた学は、犯人に銃を突きつけられ車内で泣き叫ぶ赤ん坊とその母親の悲鳴に衝動を抑えきれず、突入の合図の前に１人車両に踏み込んでしまう…。

2つの太陽の間を8の字に回る惑星メリディエス。その惑星は軌道の関係で3ヶ月に1度、わずか10分間の間だけ夜が訪れる。そして、その瞬間に死者を乗せた漆黒の列車「幽霊列車」が停車するという。事故死した恋人カレンにどうしても会いたいテリーは、幽霊列車へと乗り込みそのまま行方不明となってしまった。テリーの捜索を依頼されたSDFは、惑星メリディエスへと向かう。その夜、闇に現れた幽霊列車に学とルイが駆け込むと、２人を乗せたまま列車は走り去ってしまう…。

惑星リオグランデでの無人貨物列車墜落のためシリウス小隊が出動。しかし、それは宇宙海賊ガイ・サンダーが仕組んだ罠で、シリウス小隊専用車両“ビッグワン”が強奪されてしまった。宇宙海賊によるビッグワンの悪用を防ぐため、銀河鉄道管理局はビッグワンの破壊を命じる。だが、ビッグワン内で囚われの身となっているシリウス小隊の同僚デイビッドを見捨てることができず、学は命令に逆らって１人でビッグワンに飛び込む…。

大マゼラン行き特急列車323号が、走行中に爆破テロに遭った。シリウス隊が現場に急行して目にしたのは列車の残骸の海。ショックで動けなくなった学は隊員としての任務を果たせずシリウス小隊隊長“バルジ”に謹慎を言い渡される。学が落ち込んでいるそんな時、自販機業者の若者“ショウ”に出会い、二人は仲良くなっていく。しかし、その頃まだ他の沿線でも同様の爆破テロが相次いでいた…。