Quatre adolescents vivant en région parisienne découvrent une usine renfermant un ordinateur quantique. Jérémie, qui l'a découvert en premier, l'active et réveille par la même occasion un dangereux programme appelé XANA : un programme multi-agent, à la base créé par Franz Hopper pour contrer un projet militaire : le projet Carthage. XANA, qui a ensuite pris son indépendance, cherche maintenant à prendre le contrôle du monde.

Pour cela, il infecte des tours mémorielles, qui lui servent d'intermédiaire avec le monde réel, dans les territoires de Lyoko. Aelita, une jeune créature humanoïde virtuelle, la fille de Franz Hopper, est la seule ennemie de XANA présente sur Lyoko mais elle peut compter sur l'aide de quatre amis : Yumi, Ulrich, Odd et Jérémie. Ils mènent une double vie dans le plus grand secret : simples collégiens la plupart du temps, ils deviennent sauveurs du monde quand XANA lance une attaque. Ils doivent garder leur secret car si les autorités venaient à apprendre la menace que représente XANA, elles éteindraient le super-calculateur. Cela entraînerait la destruction de Lyoko, et Aelita disparaîtrait donc à jamais.

Les quatre héros ont trouvé un passage vers cet univers virtuel. En plus du super-calculateur, l'usine désaffectée abrite aussi trois scanners qui leur permettent de se transférer sur Lyoko. Tandis que Jérémie se met aux commandes pour gérer le support technique, Odd, Yumi et Ulrich se rendent sur Lyoko. Ils y combattent les monstres virtuels de XANA pour protéger Aelita et l'aider à désactiver les tours pour arrêter les attaques grâce au code « Lyoko ».