Ein stiller Konflikt bricht aus, als eine globale Terrororganisation namens G.O.D., die Government of Darkness, sich an den brillanten Robotikwissenschaftler Keitaro Jin wendet. Sie fordern seine Mitarbeit an ihren Plänen zur Weltherrschaft, doch Jin lehnt ab. Zur Vergeltung startet G.O.D. einen brutalen Angriff auf sein Zuhause, bei dem sowohl der Wissenschaftler als auch sein Sohn, der ozeanographiestudent Keisuke Jin, der zu Hause im Urlaub ist, tödlich verwundet werden. Bevor er seinen eigenen Verletzungen erliegt, führt Keitaro Jin an seinem sterbenden Sohn eine Notfall-kybernetische Operation durch, bei der er sein Lebenswerk verwendet: einen Prototypen eines 改造人間 (kaizō ningen), oder modifizierten Menschen, der für die Tiefseeforschung entwickelt wurde. Keisuke überlebt, wiedergeboren nicht nur als Mensch, sondern als der mächtige Kaizorg-Soldat, bekannt als Kamen Rider X.

Nun ein Cyborg mit der Fähigkeit, immensen Ozeandruck zu widerstehen, und mit übermenschlicher Stärke und Geschwindigkeit ausgestattet, wird Keisuke von Rachedurst und Pflichtgefühl angetrieben. Er führt das Ridol, eine vielseitige Multiform-Waffe, die in seinem Gürtel aufbewahrt wird und sich zu einem Stab, einer Peitsche oder einem Schwert ausfahren lässt. Sein Motorrad, der Cruiser, ist einzigartig dafür konzipiert, nicht nur an Land, sondern auch durch die Luft und unter Wasser zu reisen, was perfekt zu seiner Spezialisierung auf Unterwasserkampf passt. Als Kamen Rider X beginnt Keisuke einen einsamen Kreuzzug gegen G.O.D., kämpfend mit seiner neuen Identität als Cyborg und dem Verlust seiner menschlichen Normalität. Er findet einen frühen Verbündeten und Vaterfigur in Tobei Tachibana, einem erfahrenen Unterstützer früherer Kamen Riders, der ein Café betreibt und ihm Führung sowie eine Operationsbasis bietet.

Die Serie entfaltet sich in zwei großen Erzählbögen, die jeweils von einem primären Antagonisten geprägt sind. Die erste Hälfte wird von Apollo Geist dominiert, dem extravaganten und skrupellosen Chef der Inneren Geheimpolizei von G.O.D. Er kommandiert eine Legion von Monstern, die auf Figuren aus der griechischen und römischen Mythologie basieren, wie die schlangenartige Hydra und den Meeresgott Neptun. Nach einer Reihe intensiver Kämpfe, in denen Keisuke immer wieder seinen Wert beweist, wird Apollo Geist scheinbar zerstört, nur um mit noch größerer Kraft wiederbelebt zu werden. Ihr Konflikt erreicht seinen Höhepunkt in einem finalen, entscheidenden Kampf, der Apollo Geist endgültig besiegt zurücklässt.

Nach Apollo Geists Fall tritt der wahre Drahtzieher hinter G.O.D. hervor: der kolossale und furchterregende King Dark. Dieser zweite Bogen führt eine neue Welle bizarrer Monster ein, jedes ein Chimära, die ein Tier mit einer berühmten historischen oder fiktiven Figur kombiniert, wie etwa Seestern Hitler und Spinne Napoleon. King Dark entpuppt sich schließlich als ein riesiger, nahezu unzerstörbarer Roboter, der vom körperlosen Gehirn von Dr. Noroi gesteuert wird, einem ehemaligen Kollegen und Freund von Keitaro Jin, der tiefen Groll hegt. In der finalen Konfrontation der Serie muss Keisuke nicht nur das mechanische Ungetüm King Dark zerstören, sondern auch mit dem tragischen Erbe der Forschung seines Vaters ins Reine kommen. Als die Serie endet, nachdem er die Führung von G.O.D. besiegt und seinen Vater gerächt hat, fährt Keisuke Jin auf dem Cruiser davon, seine Mission erfüllt, doch seine Existenz als Kamen Rider X ein dauerhafter Teil dessen, was er geworden ist.