Ambientada en el futuro, en la Ciudad de Heartland, la historia se centra en Tsukumo Yuma, un joven duelista que pretende convertirse en el campeón de Duelo de Monstruos. Un día, durante un duelo con otro joven apodado Shark, un espíritu misterioso llamado Astral le ayuda a ganar. El espíritu le explica a Yuma que está tratando de recuperar su memoria perdida, transformada en 99 monstruos Xyz llamados Numbers (Números). Estos tienen el poder de tomar el control del duelista que los utiliza y pone en evidencia su lado oscuro. Para recuperar los 99 Numbers, Astral y Yuma tienen que formar un equipo y, después de reunirse con el Cazador de Números Kite Tenjo, tienen la capacidad de fusionarse a través del poder de ZEXAL. Después de participar en el World Duel Carnival, Yuma se enfrenta a diversos adversarios, incluyendo a Vetrix y al Dr. Faker.