Hikaye, yakın gelecekte Heartland adlı bir şehirde geçer. Hikaye, amatör olmasına rağmen Duel Monsters şampiyonu olmaya çalışan genç bir düellocu olan Yuma Tsukumo'ya odaklanıyor. Bir gün, bir okul zorbasıyla bir düello sırasında karşısına Astral adlı gizemli bir ruh çıkar ve kazanmasına yardım eder. Astral, Yuma'ya, Numbers adlı 99 Xyz Canavar kartına dönüştürülen ve tüm dünyaya dağılmış olan kayıp anılarını aradığını açıklıyor. Numbers, onlara sahip olan düelloculara sahip olma ve en karanlık arzularını ortaya çıkarma yeteneğine sahiptir. Astral, anılarını kurtarmak için Numbers kartlarını kurtarmak için Yuma ile birlikte çalışır. Zexal'in güçlerini kullanan ikili, Astral'ın ana dünyasını yok etmek için Numara kartlarını kendileri için talep eden Numara Avcıları ile rekabet etmelidir.