Texhnolyze berlangsung di kota Lux, kota bawah tanah buatan manusia yang telah runtuh setelah bertahun-tahun diabaikan dan kurangnya perbaikan. Warga Lux datang untuk menyebut rumah mereka hanya sebagai ‘Kota’ dan memperlakukannya seolah-olah memiliki pikiran dan keinginannya sendiri. Tiga faksi utama berjuang untuk mengontrol Lux: Organo, sekelompok ‘profesional’ yang bekerja sama dengan dunia kriminal yang mengendalikan Texhnolyze (prostetik), Salvation Union, kelompok populis yang berupaya mengganggu bisnis Organo, dan Racan, kumpulan anak muda individu dengan Texhnolyze yang menggunakan kemampuan mereka untuk keuntungan pribadi. Ichise pernah menjadi yatim piatu yang telah membuat tempat untuk dirinya sendiri di Lux sebagai petarung hadiah. Suatu hari, promotor pertarungan menjadi marah padanya dan pertengkaran yang mengikutinya mengakibatkan Ichise kehilangan lengan dan kakinya. Sebelum kematian bisa membawanya, Ichise ditemukan oleh ilmuwan Eriko Kamata, yang menggunakannya sebagai subjek uji untuk Texhnolyze yang baru dirancang. Dengan anggota tubuh baru yang kuat ini, Ichise mulai bekerja untuk Oonishi, pemimpin Organo. Dia segera bertemu dengan seorang gadis muda misterius, Ran, yang memiliki kekuatan untuk melihat kemungkinan masa depan. Bersama-sama, mereka segera menyadari bahwa Lux berada di ambang perang dan kehancuran, dan bahwa mereka mungkin satu-satunya yang bisa menyelamatkan Kota.