Dennou Coil to unikalne anime science fiction osadzone w niedalekiej przyszłości, gdzie rzeczywistość rozszerzona stała się integralną częścią codziennego życia. Główna bohaterka, Yuuko „Yasako” Okonogi, przeprowadza się z rodziną do zaawansowanego technologicznie Daikoku City – miasta pełnego tajemnic i plotek o znikających ludziach.
Jej babcia, znana jako „Mega-baa”, prowadzi sklep Megasia, specjalizujący się w nielegalnych narzędziach do interakcji z wirtualnym światem. Jednocześnie kieruje tajną agencją detektywistyczną „Coil”, składającą się z dzieci zajmujących się wykrywaniem i eliminowaniem anomalii oraz wirusów w cyfrowej przestrzeni. Gdy Yasako wplątuje się w działalność Coil, poznaje Fumie Hashimoto, która pomaga jej uratować cyberpsa Densuke przed tajemniczym wirusem.
Tymczasem Yuuko „Isako” Amasawa, utalentowana, choć szorstka hakerka, prowadzi własne dochodzenie dotyczące cyfrowych zakłóceń. Z czasem członkowie Coil zaczynają odkrywać coraz bardziej niepokojące sekrety wirtualnego świata, które mogą mieć poważne konsekwencje dla rzeczywistości.
