Ein Meereswissenschaftler namens Keisuke Jin kehrt nach sechsmonatiger Abwesenheit nach Tokio zurück, wird jedoch sofort von Agenten der G.O.D., der Government of Darkness, ins Visier genommen, einer geheimen Terrororganisation, die auf die Zerstörung Japans aus ist. Nachdem er den ersten Angriff überlebt hat, trifft er sich wieder mit seinem Vater Keitaro, einem brillanten Robotikwissenschaftler, und seiner Verlobten Ryoko. G.O.D. greift erneut an, um Keitaros Technologie zu stehlen, und verletzt Vater und Sohn tödlich. Mit seinem letzten Atemzug führt Keitaro eine Notoperation durch und verwandelt den sterbenden Keisuke in einen Kaizorg, einen leistungsstarken Cyborg, der für die Tiefseeerkundung entwickelt wurde und zum Kamen Rider X wird. Es stellt sich heraus, dass Ryoko eine G.O.D.-Agentin ist, wobei ihre wahren Motive durch das plötzliche Auftauchen ihrer mysteriösen Zwillingsschwester Kiriko kompliziert werden.

Der neu geborene X-Rider kämpft mit dem Verlust seiner Menschlichkeit, während er Rache an G.O.D. sucht und Ryokos Verrat zu verstehen versucht. Zunächst wird er von einer Kopie des Bewusstseins seines Vaters unterstützt, das in einer Unterwasserbasis untergebracht ist, doch das Programm seines Vaters zerstört sich fast sofort selbst, um Keisuke zur Unabhängigkeit zu zwingen. Die frühen Handlungsstränge konzentrieren sich auch stark auf die Zwillingsschwestern, die sich als Interpol-Agentinnen herausstellen, die G.O.D. untersuchen, doch beide finden in den ersten Folgen ein tragisches Ende.

Keisuke schließt sich schließlich Tobei Tachibana an, dem erfahrenen Mentor früherer Kamen Riders, der ein Café betreibt, das zu einer neuen Operationsbasis wird. Die Serie folgt einer zweiteiligen Struktur. In den ersten 21 Folgen bekämpft Keisuke Monster, die auf Figuren aus der griechischen und römischen Mythologie basieren. Sein hauptsächlicher wiederkehrender Widersacher in dieser Zeit ist Apollo Geist, G.O.D.'s extravaganter und mächtiger Sicherheitschef, der in seiner menschlichen Gestalt einen weißen Smoking trägt. Ihre Rivalität erstreckt sich über mehr als ein Dutzend Folgen, wobei Apollo Geist zerstört, in einer verbesserten Form wiederbelebt und schließlich endgültig besiegt wird.

Nach der endgültigen Niederlage Apollo Geists beginnt die zweite Hälfte der Serie, als der riesige Roboter King Dark das Kommando über G.O.D. übernimmt. Unter King Dark setzt die Organisation eine Schurken-Truppe von Monstern ein, die bizarre Kombinationen aus Tieren und historischen oder fiktiven Figuren sind, wie Ant Capone und der berüchtigte Seestern Hitler. Die Erzählung wird serieller, während Keisuke und G.O.D. um die Fragmente eines Blaupausens einer mächtigen Maschine wetteifern. Kamen Rider X erhält in dieser Zeit mit Hilfe von Kamen Rider V3 ein Power-Up und ändert seinen Transformationsruf von Set Up zu Dai Henshin. Frühere Rider, darunter Kamen Riders 1, 2, V3 und Riderman, erscheinen in späteren Folgen und im Kinofilm, um X-Rider in den finalen Kämpfen gegen King Dark zu unterstützen. Der Höhepunkt enthüllt, dass King Dark von Dr. Noroi kontrolliert wird, einem ehemaligen Kollegen von Keisukes Vater, den Keisuke besiegt, bevor er in den Sonnenuntergang reitet.