"Kōtetsujō no Kabaneri" spielt in einer dystopischen Welt, in der eine mysteriöse Seuche die Menschheit bedroht. Die Infizierten verwandeln sich in unsterbliche, vampirähnliche Kreaturen, bekannt als Kabane, die nur durch die Zerstörung ihres eisernen Herzens besiegt werden können. Die Überlebenden haben sich in befestigte Städte zurückgezogen, die durch dampfbetriebene Festungen, sogenannte "Hayajiro", miteinander verbunden sind. Diese Züge sind die einzige Möglichkeit, zwischen den Städten zu reisen, da die Außenwelt von Kabane überrannt ist.

Die Handlung konzentriert sich auf Ikoma, einen jungen Ingenieur, der in der Festungsstadt Aragane lebt. Ikoma entwickelt eine Waffe, die Kabane effektiv bekämpfen kann, nachdem er Zeuge des Todes seiner Schwester durch die Kreaturen wurde. Als Aragane von einer Kabane-Invasion überrollt wird, gelingt es Ikoma, einen der Angreifer zu töten, wird jedoch dabei gebissen. Um eine vollständige Transformation zu verhindern, unterbindet er den Fluss des Kabane-Virus in seinem Körper mit einer selbstgebauten Vorrichtung. Dadurch wird er zu einem Kabaneri, einer hybriden Existenz zwischen Mensch und Kabane, die die Stärke der Kreaturen besitzt, aber ihren Verstand behält.

Während der Flucht aus Aragane trifft Ikoma auf Mumei, ein weiteres Kabaneri-Mädchen, das scheinbar geheimnisvolle Verbindungen zu den Kabane hat. Zusammen schließen sie sich den Überlebenden an, die versuchen, mit dem Hayajiro-Zug "Kōtetsujō" in die sichere Festungsstadt Kongokaku zu gelangen. Die Gruppe wird von Ayame, der Tochter des Herrschers von Aragane, angeführt, die entschlossen ist, ihre Pflicht zu erfüllen und die Überlebenden zu schützen.

Die Reise ist geprägt von ständigen Angriffen der Kabane, internen Konflikten und der Entdeckung neuer Bedrohungen. Ikoma und Mumei müssen ihre Kräfte als Kabaneri nutzen, um die Gruppe zu schützen, während sie gleichzeitig mit dem Misstrauen und der Angst der anderen Überlebenden umgehen. Im Laufe der Serie werden die wahren Ursprünge der Kabane und die politischen Machenschaften hinter der Seuche enthüllt, was die Charaktere vor moralische und strategische Herausforderungen stellt.

Die Handlung erforscht Themen wie Überleben, Vertrauen und die Grenzen zwischen Mensch und Monster. Die Charaktere entwickeln sich durch ihre Erfahrungen weiter, während sie sich mit den physischen und emotionalen Folgen ihrer Hybridnatur auseinandersetzen. Die Serie kombiniert Action, Drama und eine düstere Atmosphäre, um eine Geschichte zu erzählen, die sowohl spannend als auch emotional ansprechend ist.