„Full Metal Panic! Invisible Victory” przedstawia historię bujnego ucznia Kaname Chidori i żołnierza Sousuke Sagary, którzy cieszą się beztroskim życiem licealnym. Jednak ich spokojne dni przerywa niebezpieczna organizacja terrorystyczna Amalgam. Leonard Testarossa, członek organizacji posiadający Whispered, próbuje zdobyć Kaname i jej wiedzę.
Walka Kaname i Sousuke z Amalgam rozpoczyna się w ich własnej dzielnicy, co ostatecznie prowadzi ich do globalnego polowania. Od egzotycznych terenów Laosu po jałowy meksykański brzeg, Sousuke musi zgromadzić informacje, aby obalić Amalgam. Tymczasem zdolności Kaname rosną, ale rośnie również jej frustracja i zanika determinacja. Wplątani w intensywną grę w chowanego oraz strategiczne intrygi, dwoje bohaterów stara się nawiązać kontakt i przekroczyć własne granice.