小学五年生の男の子・速杉ハヤトは、冬休みの宿題を約束どおり終わらせたごほうびに、父・速杉ホクトに連れられて東北新幹線「E5系はやぶさ」に乗せてもらう約束をしていた。 ハヤトは新幹線が大好きで、将来の夢は新幹線の運転士になること。普段は忙しい父・ホクトと一緒に新幹線に乗れるということもあって、ハヤトは旅行をとても楽しんでいた。 ところが、突然ホクトに仕事の電話がかかってきて、事態は一変する……。
『シンカリオン E5はやぶさ』を操縦し、見事に敵を撃破したハヤト。 車掌ロボのシャショットは、誰も動かせなかった『シンカリオン E5はやぶさ』を操ることができた運転士であるハヤトのことを「相棒」と呼んで大歓迎する。 しかし、まだ小学生のハヤトを危険な戦いに巻き込むことについて父・ホクトが苦しんでいることを知ってしまったハヤトは、もうシンカリオンには乗らないつもりでいた。 そんなときに、またしても巨大怪物体が現れる……。
日本全国からシンカリオンの新たな運転士を発見するミッションが始まった。一人目の運転士候補がいるという秋田県秋田市を訪れたハヤトは、迷子になったうえに慣れない雪で足を滑らせたところをクールな少年「男鹿アキタ」に助けられる。 その場ではなにげなく別れたふたりだったが、ハヤトが帰りの新幹線「E6系こまち」に乗車すると、偶然にもその少年の隣の席だった。
秋田で出会った少年・男鹿アキタこそがシンカリオンの新たな運転士候補だった。しかし、彼は「そんな暇などない」と運転士になることを拒む。アキタはビームライフル競技というスポーツの選手で、明日行われる大会の決勝戦に出場するために関東にやってきたのだ。 シンカリオンの戦いに巻き込んでしまったお詫びにアキタを自宅に泊めてあげることにしたハヤト。その晩、ふたりはお互いの夢を語り合う。
三人目のシンカリオン運転士候補が見つかった。その名は大門山ツラヌキ。石川県金沢市に住む少年だ。 運転士になることに乗り気ではないツラヌキを説得するため、彼と一緒に一日東京観光をすることになったハヤトたち。張り切ってオススメの鉄道スポットを紹介しようとするハヤトだったが、ツラヌキは電車にも普通の東京観光にも「全くもって興味ナシ！」だと言い放つ。
なんとか敵を一時停止状態に追い込んだハヤトたち。しかし再起動は時間の問題だ。敵を倒しきるためには三機のシンカリオンが力を合わせる必要がある。つまり、ツラヌキの力が必要だった。 金沢市にある彼の実家を訪れ、今回だけでも力を貸してほしいとツラヌキに頼むハヤトとアキタ。しかし、ツラヌキにはどうしても金沢を離れられないわけがあるようで……。
ついに三人揃ったシンカリオンの運転士たち。しかし、エースは自分だと言い張るツラヌキと自分のやり方にこだわるアキタの相性は最悪。彼らの連携がうまくいかず、進化する敵に思わぬ苦戦を強いられてしまう。 ハヤトの父・ホクトはそんなふたりに「このままでは勝てない」と告げる。敵を倒すには、ハヤトたちにあって敵にないものを見つけなければならない。 そんななか、ホクトにもある重大な辞令が下されて……？
ホクト不在となった研究所。シャショットは相棒としていっそうハヤトをサポートしていこうと意気込む。一方、ハヤトもシンカリオンの新たな力『リンク合体』を手に入れようとやる気十分だ。 『リンク合体』のトレーニングで最初から頑張りすぎているハヤトを心配するツラヌキ。「ハヤトをリラックスさせてやれ」という彼のアドバイスを受けて、シャショットは様々な方法でハヤトを手助けしようとする。
ホクトに代わって指導長代理を任された三原フタバは、個性豊かなシンカリオンの運転士たちをどうまとめていけばいいか悩んでいた。その悩みを聞いた指令長の出水シンペイは、ハヤトたちを含めた研究所スタッフ総出での温泉旅行を提案する。 不思議なことに、敵は一行の旅行先近辺に出現した。秘湯めぐりに行ってしまった出水が戻らないなか、ハヤトたちはフタバを中心に敵に立ち向かう。
山形新幹線・大沢駅付近に敵が現れた。そこは在来線の線路を利用している『ミニ新幹線』区間であるため、アキタの『Eシックス』しか運行できない。おまけにハヤトとツラヌキはテストの点が悪くて居残り勉強中だ。 『Eシックス』一機で敵を倒そうとするアキタだが、スピードとパワーを兼ね備えた敵の一撃を受けて大ピンチに陥る。絶体絶命の状況に現れたのは、まだ見ぬ新たなシンカリオンだった。
シンカリオンの整備を手伝うハヤト、アキタ、ツラヌキ。そこに、頑固で口が悪い高齢の作業員・小田原キントキが通りかかる。シンカリオンの廃品を再整備する地味な仕事をしているキントキは、機体を見ただけでハヤトたちの戦い方のクセを見抜いていた。 シンカリオンをもっとうまく運転したいハヤトが助言を求めると、キントキはある課題を出す。それは、彼が集めた大量の「ゴミ」パーツを磨き直すことだった。
ハヤトは出水指令長のはからいで京都にいるホクトに会いに行けることになった。母のサクラ、妹のハルカも一緒だ。久しぶりに家族が揃うこと、そして『東海道新幹線Ｎ７００Ａのぞみ』に初めて乗れることにハヤトは大はしゃぎだ。 ハヤトが安心して家族水入らずの時間を過ごせるよう、「出動があっても任せろ」と彼を送り出したアキタ、ツラヌキ、シャショットたち。だが、そんな彼らの前にかつてない敵が現れる……！
突如として現れた「シンカリオン Ｎ７００Ａのぞみ」は、ハヤトたちには全く歯が立たなかった未知なる敵を圧倒し、撃退した。運転士は東海支部の清洲リュウジ。彼は小学生のハヤトたちより年上の中学生だった。 なんと、彼を鍛えたのはホクトだという。「ハヤトたちのような子どもはいずれシンカリオンから降ろされるのではないか」というリュウジの予想に、ハヤトの心はざわつくが･･･。
ハヤトの同級生・上田アズサは自称大人気JSユーチューバー。その日も新たな動画のネタを求め、お台場で開催される人気アイドルのライブ会場に潜入していた。 そんなアズサの前に新しいエージェントが現れる。巨大怪物体を出現させ、アズサの動画を利用して世界中にその姿を配信するつもりだ。このままではシンカリオンのことが世界中に知れ渡ってしまう。焦るハヤトたちだが……？
ハヤトは出水指令長たちとともに敵の新しいねらいを予想する。そのねらいとは、シンカリオンと巨大怪物体の戦闘を公にすることで人々をパニックに陥れることだった。 その予想どおり、今度の敵は大宮から遠く離れた北海道函館市に現れる。急いで駆けつけようとするハヤトたちだが、間に合いそうにない。危機的状況のなか現場に急行したのは、新たな運転士・発音ミクが運転する「シンカリオン H5はやぶさ」だった。
体調を崩して倒れてしまったハヤト。敵が現れたのに出撃できない彼に、ミクは「運転士失格ですね」と言い放つ。 ハヤト抜きで出撃するミク、アキタ、ツラヌキの三人。だが、進化した敵はアキタの「シンカリオン E6こまち」とツラヌキの「シンカリオン E7かがやき」を絡め取り、動けなくしてしまった！ さらに、ふたりを助けようとするミクの身に異変が起こり…。
ゴールデンウィークがやってきた。京都で働く父・ホクトとの再会を楽しみに関西地方に遊びに来たハヤトは、ホクトの仕事が終わるまで新大阪駅で待つことにした。新大阪駅は三つの路線の新幹線が集結する夢のような場所なのだ。そこでハヤトは、とある新幹線を待つ。 新大阪駅では駅構内で本場・大阪のタコ焼きを食べることもできる。昔ホクトが作ってくれたタコ焼きの味を懐かしく思い出すハヤト。その時、意外な巨大怪物体が現れた！
合同演習のため、全国各地のシンカリオン運転士であるリュウジ、シノブ、ミクが大宮に集結した。しかし、リュウジは年下のハヤトたちと一緒に戦うことに反対という立場を崩さない。かたくなな彼の態度にはわけがあるようで…。 そんななか、またしても「漆黒の新幹線」が現れる。いつものように巨大怪物体を生み出すかと思われた「漆黒の新幹線」だが――今回は突然線路上で停止する･･･。
母親のお見舞いのために名古屋に戻ったリュウジが不在のなか、最強の敵、ブラックシンカリオンに苦戦するハヤトたち。渾身の力を合わせた連携技もしのがれてしまい、絶体絶命の状況に陥る。 そこに、リュウジの「シンカリオン N700Aのぞみ」が駆けつけた！ 持ち前の戦闘力でハヤトたちを間一髪で助けたリュウジは、特殊なフィールドを展開してブラックシンカリオンに一対一で勝負を挑む。
ブラックシンカリオンとの激しい戦闘の後始末で慌ただしい超進化研究所。そんななか、シャショットは仕事がなくて浮いていた。アズサにそのことを指摘されたシャショットは自分がなんのために研究所にいるのか分からなくなってしまう。 自分探しの旅のため研究所からこっそり家出するシャショット。そんなシャショットに接触してきたのは、敵のエージェント・スザクだった！
新しく完成した「超進化研究所・門司支部」へ行くことになったハヤトたち。移動手段は飛行機の予定だったが、ハヤトたっての希望で一行は新幹線に乗って九州に向かう。 九州に着いたハヤトたちを出迎えたのは「シンカリオン ８００つばめ」の新任運転士・大空レイだった。かねてよりハヤトたちに憧れていたというレイに「弟子になりたい」と言われて、ハヤトたちは戸惑う。
先の戦闘で足の関節部を破損してしまった「シンカリオン Ｅ５はやぶさ」。さらに、立て続けに現れた二体目の巨大怪物体の攻撃によって、「シンカリオン Ｅ６こまち」、「シンカリオン Ｅ７かがやき」も出発不可能なダメージを負ってしまう。 残された方法はひとつ。「Ｅファイブ」と「８００つばめ」のリンク合体しかない。しかし、何度シミュレーションしてもリンク合体が成功しない。その原因はハヤトにあった。
母のサクラ、妹のハルカと三人で京都にやってきたハヤトは、今度こそ単身赴任中の父・ホクトと再会する。普段はホクトが全然連絡をくれないため、家族四人が揃うのは久しぶりだ。 しかし、どういうわけかホクトに対するハルカの態度がよそよそしい。ハヤトがその理由を尋ねると、ハルカから驚くべき答えが返ってくる。なんと彼女は、ホクトが浮気しているのではないかと疑っていた！
ハヤトの同級生、上田アズサにはある野望があった。それは、シンカリオンに乗って「JSが初めてシンカリオンを踊らせてみた」という動画を撮影することだ。 その野望達成のためチームシンカリオンのまとめ役を買って出るアズサ。さらに、彼女は出水シンペイ指令長の頼みごとを引き受ける。 出水の頼みごととは、出現した「漆黒の新幹線」の撮影を試みることだった。
病床にいるリュウジの母のお見舞いのため、ハヤトはひとりで名古屋を訪れた。ハヤトはそこで自分の父とリュウジの父の意外な縁を知る。 リュウジの家族と打ち解けながら、彼の抱えている事情を少しずつ知っていくハヤト。だがその時、新たな力を得た「漆黒の新幹線」が大宮に現れた！ 名古屋から大宮へ急行するハヤトとリュウジ。「漆黒の新幹線」の狙いはいったい……？
アキタ、ツラヌキ、シノブの奮闘により、ブラックシンカリオンを超進化研究所の地下試験場に閉じ込めることに成功。リュウジが操る『シンカリオン Ｎ７００Ａのぞみ』がブラックシンカリオンに立ち向かう。 一方ハヤトは、ホクトが運転する『シンカリオン ５００こだま』の到着を待っていた。『シンカリオン Ｅ５はやぶさ』と『シンカリオン ５００こだま』のクロス合体こそブラックシンカリオンに対抗するための新たなる力なのだ。果たしてホクトは間に合うのか……？
ついに完成した『Ｅ５×５００』。ハヤトとホクトは超進化研究所のみんなの思いを背負ってブラックシンカリオン バーサーカーモードと激しい戦いを繰り広げる。 『Ｅ５×５００』の必殺技は大出力のビーム攻撃、「超グランクロス」。しかし、電力の消費が激しく一発しか撃てないその技をブラックシンカリオンに耐えきられてしまう。果たしてブラックシンカリオンを倒す手段はあるのか……？
夏休みがやってきた。休みを使って新幹線に乗りまくろうと企むハヤトは早速、先日の戦いで負傷したリュウジの代役として名古屋支部へ行く任務に立候補する。 名古屋行きの東海道新幹線に乗車するハヤト。すると、隣の席に指令長の出水シンペイが乗ってきた。指令長と二人きりという慣れない状況にハヤトが緊張していると、出水が意外な過去を語り始める。それは、ハヤトの父・ホクトとの思い出の話だった。
リフレッシュのため海水浴に行けることになったハヤトたち。ハヤトの家族だけでなくアキタ、ツラヌキ、シノブの家族もビーチに招待され、久しぶりの再会を喜ぶ。中でもアキタの母・モミジの喜びようは強烈で、四六時中アキタにべったりだ。 その時、巨大怪物体が出現！それぞれの家族に余計な心配をかけないため、ハヤトたちはフタバが提案した「スイカ割り作戦」を実行する。その作戦とは……？
ある任務で京都に行くことになったハヤト。すると、同級生の上田アズサが勝手についてきた。どうにかしてシンカリオンを踊らせる動画を撮りたいアズサは、シンカリオンの運転に必要な「鉄分」を高めるため、ハヤトに鉄道のことを教わりたいという。 それを聞いたハヤトの母・サクラはなぜかデートと勘違い。ふたりの恋のキューピッドになるため、ハヤトにとある命令を送りつける。
三島で新幹線の写真を撮っていたハヤトの前に、走っているはずのない新幹線が現れる。 その新幹線は『500 TYPE EVA』。すでに運行終了したはずの幻の車両だ。 大興奮で『500 TYPE EVA』を追いかけていくハヤト。その先で彼が見たのは、山あいに広がる近未来的な都市だった。偶然通りがかった『洞木三姉妹』に連れられて、ハヤトはその不思議な街の名前を知る。 その都市の名は「第三新東京市」――。
夏休みにもかかわらず、アキタは鬼気迫る雰囲気でシンカリオンの運転訓練をしていた。最近の戦いでどんどん強くなっているハヤトを見て、アキタは自分が何も成長していないのではないかと悩んでいたのだ。 そんな折、ハヤト、アキタたちはとある作戦のために山へキャンプに行くことに。アキタはこれ幸いと、かつて祖父に仕込まれたマタギの修行に打ち込み、自分の五感を研ぎ澄まそうとする。
E5系はやぶさ、N700Aのぞみ等実在する新幹線が変形するロボット「シンカリオン」の運転士となったハヤトら子供たちが、 新幹線超進化研究所の大人たちと協力して敵に立ち向かう物語を描いたTVアニメ『新幹線変形ロボ シンカリオン』。 劇場版では、次世代新幹線開発のための試験車両「ALFA-X」が早くもシンカリオンへと変形し、新たな運転士とともに日本の平和と安全を守るため、戦いに挑む。 TVアニメでは描かれなかったシンカリオン誕生の秘密、ALFA-Xが繋ぐ現在と未来、ハヤトとホクトの親子の絆…。 シンカリオンだからこそ描ける時空を超えた感動の戦いが今、始まる!!
