故事发生在虚构的城市空崎市，在那里，存在着一支由身手矫健的少女们所组成的特工组织“月影”，每天入夜，少女们的身影便会在月亮的映照下穿梭在城市的角角落落，守护这座城市与市民们的安全。犯罪组织“魍魉”一直对空崎市虎视眈眈，屡屡进犯，他们是月影最大也是最难对付的对手。源桃（安斋由香里配音）是一名高中二年级的学生，本来平凡无异的她，凭借着自己的特殊能力，在机缘巧合之下加入了月影。在那里，她结识了个性认真严谨的半藏门雪（沼仓爱美配音）、积极向上的相模枫（藤田茜配音）和桀骜不驯古灵精怪的八千代命（洲崎绫配音）等人。

在每一个角落都被探索完毕的世界中，唯一残留的秘境——大洞穴“阿比斯”。不知道延续到何方，深不见底的巨大纵向洞穴，栖息着奇妙奇怪的生物们，沉眠着现在的人类无法制造的贵重遗物。“阿比斯”那充满了不可思议的姿态吸引了人们，并驱使人们展开冒险。如此，多次挑战大洞穴的冒险者们，陆续得到了“探窟家”的名号。住在建造于阿比斯边缘的城镇“奥斯”的孤儿莉可，梦想着有朝一日成为母亲那样伟大的探窟家，并解开阿比斯的谜团。某天，以母亲莱萨的白笛被发现为契机，莉可决定潜入阿比斯深处。被莉可捡到的丧失记忆的机器人雷格，也为了寻找自己的记忆而决定同行。莉可在深界四层中了穿弹兽的毒。救了莉可的，是“生骸”娜娜奇。娜娜奇也成为两人的同伴，三人的冒险向着波多尔多所在的深界五层进发。在那里，他们遇到了一位自称为普鲁修卡的女孩子……

成为“第三次冲击”元凶的碇真嗣，变得像废人一样……真嗣还能振作起来吗？2012年《福音战士新剧场版：Q》之后，这部动画讲述了被封印的故事的后续。