Im Jahr 2202 wird die Erde plötzlich vom Schwarzen Nebel-Imperium angegriffen. Eine massive Festung landet auf dem Planeten, und die Flotte des Imperiums zerstört die Weltraumverteidigung der Erde. Die Invasoren verkünden, dass die Festung eine Waffe enthält, die Schwer-Nukleon-Bombe, die alles Leben auf der Erde vernichten kann, und sie werden sie zünden, falls der Planet sich wehrt. Angesichts der totalen Kapitulation ist die Erdverteidigungsarmee gelähmt.

Susumu Kodai, Yuki Mori und die ehemalige Besatzung des Raumschiffs Yamato versammeln sich im Geheimen. Sie erfahren, dass die Yamato auf dem Asteroiden Ikarus versteckt und wieder aufgebaut wurde. Als sie versuchen, der Erde zu entkommen, um das Schiff zu erreichen, wird Yuki durch feindliches Feuer verwundet und zurückgelassen, gefangen genommen vom Geheimdienstoffizier des Schwarzen Nebels, Alphon. Der Rest der Besatzung erreicht Ikarus, wo sie sich mit der Yamato und ihrem neuen Kommandanten, Kapitän Yamanami, wiedervereinen. An Bord treffen sie ein junges Mädchen, das als Mio Sanada vorgestellt wird, die Nichte des Wissenschaftsoffiziers Shiro Sanada.

Die Yamato bricht zum fernen Schwarzen Nebel auf, um das Kontrollsystem der Bombe zu finden und zu zerstören. Während der Reise enthüllt Mio ihre wahre Identität: Sie ist Sasha, die Tochter von Kodais verstorbenem Bruder Mamoru und der iskandarischen Königin Starsha. Aufgrund ihres iskandarischen Erbes ist sie in nur einem Jahr auf siebzehn Jahre herangewachsen. Währenddessen erholt sich Yuki auf der besetzten Erde unter Alphons Obhut. Alphon fühlt sich zu ihrer Hingabe an Kodai hingezogen und verrät ihr schließlich, obwohl er ein feindlicher Offizier ist, die Methode zur Entschärfung der Bombe, bevor er sie entkommen lässt. Yuki schließt sich dem menschlichen Widerstand an.

Die Yamato durchquert den Schwarzen Nebel und entdeckt einen Planeten, der eine exakte Kopie der Erde zu sein scheint. Sie werden vom Anführer des Imperiums, Scaldart, willkommen geheißen, der behauptet, dies sei die Erde zweihundert Jahre in der Zukunft. Er zeigt ihnen eine falsche Geschichte, in der die Yamato zerstört wird, und bietet ihnen Zuflucht. Die Besatzung lehnt die Täuschung ab, und Sasha beschließt, zurückzubleiben, da sie glaubt, eine Rolle spielen zu müssen. Als die Yamato aufbricht, greift Scaldart an, und die Besatzung erkennt, dass die zukünftige Erde eine Fälschung ist. Sanada folgert, dass die Schwarzen Nebulaner keine zukünftigen Menschen sind, sondern Cyborgs, die ihre ursprünglichen Körper durch Automatisierung verloren haben und nun menschliche Körper stehlen wollen.

Die Yamato kehrt um und feuert ihre Wellenbewegungskanone auf den falschen Planeten ab, zerstört die Tarnung und enthüllt die wahre mechanische Welt von Dezarium. Sasha kontaktiert die Besatzung von innen und führt sie zu einem verwundbaren Kern. Auf der Erde stellt sich Yuki Alphon, der tödlich verwundet ist. Mit seinen sterbenden Worten erklärt er, dass sowohl der Auslöser auf der Erde als auch das Kontrollsystem auf Dezarium gleichzeitig deaktiviert werden müssen. Yuki gelingt es, den Auslöser zu entschärfen. Im Inneren von Dezarium wird die Brücke der Yamato getroffen; Kapitän Yamanami wird getötet, und die sterbende Sasha drängt Kodai, die Wellenbewegungskanone abzufeuern. Kodai gehorcht, feuert in den Kern und zerstört Dezarium. Die Bombe auf der Erde wird neutralisiert.

Während die Yamato nach Hause reist, erscheint Sashas Geist Kodai und der Besatzung, segnet sie und steigt auf. Das Schiff kehrt zur Erde zurück, wo Kodai und Yuki endlich wiedervereint werden. Die Geschichte erforscht Themen wie Liebe, Vertrauen und Opferbereitschaft in den getrennten Kämpfen von Kodai und Yuki, wobei Sasha und Alphon als Schlüsselfiguren in den Handlungsbögen jedes Charakters dienen. Die Schauplätze umfassen die besetzte Erde, die versteckte Asteroidenbasis und die seltsame Doppelgalaxie des Schwarzen Nebels, die in der Enthüllung der künstlichen Welt Dezarium gipfeln.