"Deadman Wonderland" spielt in einer dystopischen Zukunft, in der ein Erdbeben die japanische Stadt Tokio verwüstet hat. Auf den Trümmern der Stadt wurde ein privat geführtes Gefängnis und Freizeitpark namens Deadman Wonderland errichtet, in dem die Insassen gezwungen sind, grausame und tödliche Spiele für die Unterhaltung der Besucher zu bestreiten. Der Protagonist, Ganta Igarashi, ein normaler Schüler, wird unschuldig des Massakers an seiner gesamten Klasse beschuldigt und in Deadman Wonderland inhaftiert. Dort erhält er den Spitznamen "Woodpecker" und wird gezwungen, an den tödlichen Attraktionen teilzunehmen.

Im Gefängnis wird Ganta mit einer mysteriösen Fähigkeit konfrontiert: Er kann sein eigenes Blut als Waffe einsetzen, eine Fähigkeit, die als "Branch of Sin" bezeichnet wird. Diese Fähigkeit macht ihn zu einem sogenannten "Deadman", einem von wenigen Insassen, die über solche Kräfte verfügen. Ganta trifft auf Shiro, eine rätselhafte und scheinbar naive junge Frau, die ihm hilft, sich in der gefährlichen Umgebung zurechtzufinden. Shiro spielt eine zentrale Rolle in Gantas Vergangenheit und in den Geheimnissen von Deadman Wonderland.

Im Laufe der Serie wird Ganta in eine Reihe von tödlichen Kämpfen verwickelt, die als "Carnival Corpse" bekannt sind. Diese Kämpfe werden von den Wärtern des Gefängnisses organisiert, um die Deadmen gegeneinander antreten zu lassen. Ganta erfährt, dass das Massaker an seiner Klasse mit einem größeren Komplott verbunden ist, das von den Machern von Deadman Wonderland orchestriert wurde. Er trifft auf andere Deadmen wie den sadistischen Crow, den ruhigen Minatsuki und den geheimnisvollen Senji, die alle ihre eigenen Motive und Hintergründe haben.

Die Serie enthüllt nach und nach die dunklen Geheimnisse des Gefängnisses, einschließlich der wahren Natur der Branch of Sin-Fähigkeiten und der Rolle, die Shiro in Gantas Leben spielt. Es wird deutlich, dass Deadman Wonderland Teil eines größeren Experiments ist, das von einer mysteriösen Organisation namens Promestein durchgeführt wird. Ganta muss nicht nur um sein Überleben kämpfen, sondern auch die Wahrheit über seine Vergangenheit und die Machenschaften von Deadman Wonderland aufdecken.

Die Handlung ist geprägt von Action, Gewalt und moralischen Dilemmata, während die Charaktere mit ihren eigenen inneren Konflikten und traumatischen Erlebnissen konfrontiert werden. Die Serie endet mit offenen Fragen und einem Cliffhanger, der Raum für Spekulationen und Fortsetzungen lässt.