ในอนาคตที่ระดับน้ำทะเลสูงขึ้นอย่างรวดเร็วจนเกือบกลืนกินโลก นัตสึโอะ เด็กหนุ่มที่สูญเสียขาข้างหนึ่ง ได้ตัดสินใจย้ายมาอยู่ที่เมืองชายทะเลอันเงียบสงบ เขาใช้ชีวิตอยู่กับเรือดำน้ำเก่า ๆ ซึ่งเป็นมรดกตกทอดจากคุณยายนักธรณีวิทยาทางทะเล ด้วยความหวังที่จะค้นหาอนาคตที่หายไป นัตสึโอะจึงตัดสินใจดำดิ่งสู่ใต้ทะเลเพื่อค้นหาโกดังลับที่คุณยายเคยกล่าวถึง
สิ่งที่เขาพบเจอในนั้นคือ อาโทริ หุ่นยนต์สาวลึกลับที่ถูกเก็บรักษาไว้ในอุปกรณ์คล้ายโลงศพ อาโทริมีความซับซ้อนทางอารมณ์จนแทบจะแยกไม่ออกจากมนุษย์ เธอมีภารกิจที่ยังไม่สำเร็จตามคำสั่งของผู้สร้าง และขอให้นัตสึโอะช่วยเหลือในการทำภารกิจนั้นให้สำเร็จ โดยอาสาจะเป็นขาให้เขา
เรื่องราวของนัตสึโอะและอาโทริจึงเริ่มต้นขึ้นในเมืองชายทะเลที่กำลังจะจมลงสู่ใต้ทะเล พวกเขาต้องเผชิญหน้ากับความลับที่ซ่อนอยู่ใต้ท้องทะเล ปริศนาของอาโทริ และความหวังที่จะสร้างอนาคตใหม่ร่วมกัน