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小学时期，游泳部的四名成员在毕业前的游泳比赛中夺冠，之后他们毕业的毕业，出国的出国，四人分道扬镳。时过境迁，就读岩鸢高中的七濑遥（岛崎信长 配音）和好朋友橘真琴（铃木达央 配音）升上高二，他们与昔日的游泳部成员之一叶月渚（代永翼 配音）重逢。三人回忆起小学时光，约定到曾经的游泳馆去。在废弃的游泳馆里，他们居然遇到了归国的松冈凛（宫野真守 配音）。意料之外的是，昔日战友凛性情大变，还对遥发起挑战，结果遥输给了他。 遥、真琴和渚决定成立游泳部，经过多番努力后，终于招募到了新成员龙崎怜（平川大辅 配音），他们以县大赛冠军为目标，进行紧张的集训。另一方面，凛所在的鲛柄学院游泳部也在为大赛作准备。他们约定，要在赛场上决一高下。充满激情和活力的游泳部，在这个夏天，开始了关于友情与青春的Free!故事。
「攻殻機動隊」の士郎正宗が原案、「エクセル・サーガ」の六道神士が漫画を手がけるコミック「紅殻のパンドラ」をアニメ化。先進国の一部ではサイボーグや自律ロボットが普及しはじめた時代。幼い頃の事故が原因で脳以外の全身を義体化した少女・七転福音（ななころびねね）は、親類を頼って人造のリゾートアイランド「セナンクル島」にやってくる。しかし、そこで待っていたのは、重武装のテロリストや大量破壊兵器がのさばる途方もない新生活だった。
在未来，邪恶的天网率领着宇宙大军想要统治地球，司徒乐率领人类顽强抵抗，天网的部队节节败退。为了扭 转局势，天网派出大量怪兽回到过去，誓要把司徒乐扼杀在童年时期。在屡屡失败之后天网决定亲自回去收拾司 徒乐一行人。天网设下圈套，把司徒乐和钢铁飞龙送进《山海经》中的异世界，并驾驶亲手打造的机械山海怪兽，对司徒乐 他们发动猛攻。孤立无援之际，司徒乐和钢铁飞龙从《山海经》残页中发现了一股神秘的力量，并在这股力量的 帮助下召唤出了全新的山海神兽机甲。面对险象环生的山海世界，司徒乐和钢铁飞龙驾驶着全新的神兽机甲，一 次次击退了天网的怪兽，踏上了漫漫回家之路。乐乐与扶桑一战，出现了与现实世界中，跟丁佳宜极为相似的角色，危急情况下，救下乐乐，并触发了某种能 量，让钢铁飞龙5个机器人成功合体。打败扶桑的同时，也为下半部的故事发展留下悬念。
