星野鉄郎とその母は、機械の体を手に入れて寿命を延ばすことを願っていたが、あまりにも貧しいため叶えられずにいた。ある日、生身の人間を狩ることを趣味とする機械伯爵に、母が撃たれてしまう。母は鉄郎に、メガロポリスから発車する銀河鉄道999号に乗り、誰でも機械の体を手に入れられる星へ行くよう言い残して息絶える。鉄郎は遺言に従ってメガロポリスを目指す途中、力尽きて倒れ、雪原で眠っているところを謎の美女・メーテルに助けられる。

乗客となった鉄郎を乗せ、999号は宇宙へと進み出した。やがて999号は、土星の惑星であるタイタンに停車する。客車から降りて駅から出た途端、メーテルがぶどう谷の戦士に誘拐され、鉄郎も殴り倒されてしまう。一見すると美しい楽園のように見えたタイタンは、誘拐や殺人ですら個人の自由として認める"楽園法"に支配された、この世の地獄だったのだ。鉄郎は戦士の銃・コスモドラグーンを手に、ぶどう谷へメーテルの救出に向かうが…。

999号は無数の光がうごめく美しい星に到着した。鉄郎はそこで、フライヤという貧しい女性と出会う。不憫に思って金貨を与えようとしても、フライヤは頑として受け取ろうとしない。代わりに彼女は鉄郎を自宅に招き、アニメの絵コンテを買って欲しいと頼む。その時、アパートが停電し、暗闇の中でフライヤの体が斑に光り始める。この星は、体が輝く程度によって美醜ばかりか社会的地位まで決められる、いわば虚栄の惑星だったのだ。

"昨日の歌を唄う星"、そこは穴だらけの荒野を吹き抜ける風が歌うような声で啼き続ける、ひどく奇妙で淋しい土地だった。999号から降りてホテルに泊まった鉄郎の前に、卵売りのホロホロという男が現れる。全身を覆うマントを取ったホロホロの姿に、鉄郎は驚愕して声を失う。そこには胸に大きな風穴の開いた、生ける骸骨が立っていたからだ。ホロホロは白骨の姿となってまで、去っていった恋人が戻るのを待ち続けているというが…。

サケザン大陸は見渡す限り緑のジャングルで覆われ、サケザンという大酒飲みで怪力の男によって支配されていた。鉄郎とメーテルは、猿たちに酒をふるまわれていたところをサケザンに襲われる。メーテルがさらわれてしまい、助けに行った鉄郎まで捕まってしまった。彼を助けたのはライザという女性だった。ライザは遭難者として自分を999号に乗せて欲しいと鉄郎に頼む。その代わり、メーテルをサケザンの新たなる妻として置いてゆくというのだ!

惑星・嵐が丘に吹き荒れる風は、世界が終わるその日まで決して止むことはない。鉄郎はその星のホテルで、大切な999号の無期限定期を盗まれてしまう。犯人としてキラという少年を捕らえるが、彼は罪を認めようとはしない。銀河鉄道の旅もここで終わってしまうのか…鉄郎があきらめかけた時、メーテルが犯行現場に残されていた足跡を見て真犯人に気付く。キラを泥棒と決めつけて殴っていた彼の父こそ、鉄郎の定期を盗んだ張本人だったのだ!