Fabuła Eureka Seven AO skupia się na losach trzynastoletniego Ao Fukai, młodego chłopaka mieszkającego na spokojnej wyspie Okinawa, która niedawno uniezależniła się od Japonii. Syn tajemniczej kobiety imieniem Eureka, Ao wiedzie spokojne życie aż do dnia, gdy wyspa zostaje nagle zaatakowana przez tajemniczą siłę znaną jako „Secret”. W wyniku tych wydarzeń Ao przypadkowo aktywuje zaawansowaną maszynę bojową, Nirvash, którą tylko on jest w stanie kontrolować. Zmienia to całkowicie jego codzienne życie i wciąga go w konflikt przeciwko pojawiającym się tajemniczym istotom, które grożą pokojowi całego świata. Ao wyrusza w podróż, by odkryć prawdę o swoim pochodzeniu, przeznaczeniu oraz rolę, jaką odegra jego matka w tym globalnym kryzysie. Eureka Seven AO to pełna przygód, akcji oraz emocjonujących momentów historia, której narracja balansuje między naukową fantastyką a dramatem młodzieżowym i porusza tematy własnej tożsamości oraz odpowiedzialności wobec świata.