Auf einer zukünftigen Erde, die von rasantem technologischem Fortschritt geprägt ist, sind die Ionoid Senshi Machine Robo Super-Roboter, die gebaut wurden, um die Katastrophen und Unfälle zu bekämpfen, die die Hightech-Gesellschaft heimsuchen. Angetrieben von einer mysteriösen Energiequelle, bekannt als Ionoid-Energie, sind diese Maschinen mit einem Romtron-Molekülumwandlungsgerät ausgestattet, das es ihnen ermöglicht, ihre Größe frei bis zum Sechshundertfachen ihres normalen Maßstabs zu verändern, sodass sie sich jeder Krise anpassen können.

Der zentrale Konflikt stellt die Machine Robo gegen den Dämon, ein kolossales Weltraummonster, das einst die Dinosaurier auslöschte und nun zurückkehrt, um den Planeten zu bedrohen. An der Seite der robotischen Verteidiger steht ein junger Junge namens Kiyoshi, der zu einer Schlüsselfigur im Kampf wird. Die Geschichte entfaltet sich, während die Machine Robo und Kiyoshi den Angriffen des Dämons trotzen und dabei die Verwandlungsfähigkeiten der Roboter und den Mut des Jungen nutzen, um die Erde vor einer zweiten Katastrophe aussterbenden Ausmaßes zu schützen. Die Erzählung verwebt Themen der Zusammenarbeit zwischen Menschen und Maschinen, das Erbe uralter Katastrophen und das unerbittliche Vordringen kosmischen Bösen.