西暦2205年。歴史の改変を目論む「歴史修正主義者れきししゅうせいしゅぎしゃ」によって過去への攻撃が始まった。
時の政府は「審神者さにわ」なるものたちに歴史の守護を命じる。
その審神者の物の心を励起れいきする力によって生み出された「刀剣男士とうけんだんし」たちは、さだめられた歴史を守る戦いへと身を投じるのだった。

一八四三年、天保時代の江戸。
本丸への入電により、蜂須賀虎徹を隊長とした、長曽祢虎徹、浦島虎徹、小竜景光、石田正宗の部隊は、特命調査へと出陣。すでに歴史改変された江戸の愛宕山近辺へとやってくる。
海の絶景地として知られ、浮世絵などにも描かれるそこから臨める海に、胸を躍らせる浦島虎徹。「遊びに来たんじゃない」と窘める蜂須賀虎徹が見上げた先にあったのは、明暦の大火で燃えたはずの天守閣が残る江戸城であった。
刀剣男士たちは江戸の町に漂う、歴史改変による異様な空気を察する。
だが出陣して早々に、蜂須賀虎徹は「隊長の采配に期待する」という長曽祢虎徹に対して、あからさまに不愉快な態度を取る。その様子を見ていた石田正宗と小竜景光は、苦笑いを浮かべながらそれを取りなすのであった。

五振りの前に、先行調査員である刀剣男士・水心子正秀と源清麿が現れる。
彼らは蜂須賀虎徹たちに麟太郎という青年を引き合わせる。
麟太郎はかつて、十二代将軍徳川家慶の子・初之丞の遊び相手として江戸城に出入りをしていたため、城の内外の実情に通じており、水心子正秀と源清麿が協力者として仲間に引き入れていたのだ。
麟太郎曰く、今や江戸の実権は将軍を差し置き、老中首座である水野忠邦の掌中にあるのだという。
本来の歴史であれば、悪政と名高い“天保の改革”は二年で失敗に終わる。だが歴史改変された江戸では改革が遂行され続け、そのために国の至る所で一揆や打ち壊しが起きており、このままでは江戸が──否、国そのものが滅びかねない状況にあった。
歴史修正の糸口を見つけ、江戸の町を元に戻したいと願う水心子正秀と源清麿は、隊の中と外から蜂須賀虎徹たちの任務に同行するという。

麟太郎の案内で両国へと向かう刀剣男士たちは、早速、人ならざる気配を持つ者たちに襲撃される。
その中には、兵学を学ぶ麟太郎の大師匠にあたる窪田清音の姿があった。

終わらない“天保の改革”を正しく頓挫させるべく、刀剣男士たちは改変の中心にいる人物を探り出そうと奔走する。