Auf der Inselnation Hinomoto versteckt sich die Menschheit in massiven befestigten Stationen, um die Kabane zu überleben, eine Rasse untoter Kreaturen mit leuchtenden Herzen, die durch nahezu undurchdringliche Stahlkäfige geschützt sind. Wer von einem Kabane gebissen wird, ist dazu verdammt, als eines der Monster wieder aufzuerstehen, und der einzige Weg, sie zu töten, ist die Zerstörung ihres Herzens. In dieser Steampunk-Welt, in der gepanzerte Dampflokomotiven namens Hayajiro das einzige Transportmittel zwischen den Stationen sind, hat ein junger Dampfschmied namens Ikoma seine Schwester an die Kabane verloren und schwört Rache. Ikoma lebt in der Aragane-Station und entwickelt heimlich eine mächtige Waffe namens Tsuranukizutsu, eine Durchschlagswaffe, die speziell dafür entwickelt wurde, den Kabane-Herzkäfig zu durchdringen, obwohl seine Besessenheit dazu führt, dass andere ihn verspotten.

Als ein Hayajiro außer Kontrolle gerät und in die Aragane-Station kracht, wird die Station von Kabane überrannt. Im Chaos testet Ikoma endlich seine Waffe und zerstört erfolgreich ein Kabane-Herz, wird dabei jedoch gebissen. Er weigert sich zu sterben und erwürgt sich selbst, um zu verhindern, dass das Virus sein Gehirn erreicht, bevor die Transformation abgeschlossen ist, und erwacht als Kabaneri: ein Mensch-Kabane-Hybrid, der übermenschliche Stärke und Heilungsfähigkeiten besitzt, aber ständig den Drang bekämpfen muss, Blut zu verlangen. Er besteigt die gepanzerte Lokomotive Koutetsujou, auch bekannt als die Eiserne Festung, die von der jungen Adligen Ayame Yomogawa kommandiert und vom erfahrenen Samurai Kurusu bewacht wird. An Bord trifft Ikoma auf ein mysteriöses Mädchen namens Mumei, die von obligatorischen Kabane-Inspektionen befreit ist und sich später ebenfalls als Kabaneri offenbart.

Die Geschichte folgt den Überlebenden der Aragane-Station auf ihrer Reise durch Hinomoto zur Shogunatshauptstadt Kongoukaku, während sie Kabane-Horden bekämpfen und Misstrauen von Menschen ausgesetzt sind, die die Kabaneri unter ihnen fürchten. Ikoma und Mumei kämpfen darum, ihre Menschlichkeit zu beweisen, während sie die Eiserne Festung vor sich entwickelnden Kabane-Varianten wie den Wazatori schützen, die Kampffertigkeiten und Intelligenz aus ihrem früheren Leben bewahren, und vor Fusionskolonien, bekannt als Schwarzer Rauch, die aus Dutzenden verschmolzenen Kabane bestehen. Die Handlung steuert auf eine Konfrontation mit Biba zu, einem charismatischen Kriegsherrn, der eine Armee von Kabaneri befehligt und das Shogunat stürzen will, was die Protagonisten zwingt, in einem Konflikt Partei zu ergreifen, der die Grenze zwischen Monster und Mensch verwischt.