Die Serie basiert auf dem fiktionalen Szenario, dass durch eine Mutation menschlicher Gene eine neue humanoide Spezies namens Diclonius (pl. Diclonii) (ディクロニウス, Dikuroniusu) entsteht. Diclonii unterscheiden sich von Menschen äußerlich nur durch zwei kleine Hörner, die ihnen auf dem Kopf wachsen. Darüber hinaus verfügen sie über Arme, die so schnell vibrieren, dass sie für das normale Auge nicht sichtbar sind. Diese Arme können mühelos Körperteile durchtrennen und auch herumliegende Gegenstände wie Projektile verwenden. Die Anzahl, Länge und Stärke dieser Arme variiert dabei sehr stark von Diclonius zu Diclonius. Im Anime werden diese Arme auch als Vektoren bezeichnet.

Ein weiteres Charakteristikum der Diclonii ist die eingeschränkte Reproduktionsfähigkeit: Es wird hier unterschieden zwischen Diclonius und Silpeliten (Ein Silpelit ist ein von Menschen geborener Diclonius). Erstere verfügen über Fortpflanzungsorgane und können sich auch auf natürlichem Wege fortpflanzen. Silpeliten sind jedoch unfruchtbar, da ihnen die Fortpflanzungsorgane fehlen. Beide Arten sind in der Lage, einen Menschen mit ihren Vektoren mit einem Virus zu infizieren, der zur Folge hat, dass das nächste von der infizierten Person gezeugte Kind ebenfalls ein Silpelit wird. Es existieren nur wenige echte Diclonii, von denen Lucy der erstgeborene Diclonius ist. Der Zustand ist vergleichbar der Allopolyploidie.

Beide Arten – Diclonius und Silpelit – besitzen einen zusätzlichen Sinn, der es ihnen erlaubt, sich über eine größere Entfernung hinweg aufzuspüren. Zudem zeigen bereits junge Diclonii (etwa im Grundschulalter) die Fähigkeit ihre Arme einzusetzen, die mit der Zeit aber noch länger werden und an Kraft gewinnen. Sie besitzen ein nur sehr geringes Schuldbewusstsein, was sie dazu veranlasst sie umgebende Menschen wahllos zu töten. Ihren Eltern gegenüber zeigen sie eine tiefe Zuneigung und verspüren nicht den Drang sie zu töten. Jedoch erkennen sie sehr genau den Unterschied zwischen ihren eigenen Eltern und einem Ersatz dieser.

Auch besitzen sowohl Diclonius und Silpelit eine Multiple Persönlichkeitsstörung. So erwacht nach einer gewissen Zeit das "andere Ich", welches ihnen befiehlt sich ein eigenes Zuhause ohne Menschen zu schaffen. Diese Stimme tritt bei Lucy in Form ihrer Selbst in Bandagen auf und bei Nana in Form ihres Vaters.

In einer privaten Forschungsinstitution werden mindestens drei Diclonii, darunter auch Lucy, unter starken Sicherheitsvorkehrungen gefangen gehalten. Diese Einrichtung wird von der Regierung finanziert und hat die Aufgabe, alle neugeborenen Diclonii zu töten, da sie sich bereits im Kindesalter in „Killermaschinen“ verwandeln können. Die noch lebenden Diclonii werden in dem Labor für grausame Forschungen missbraucht, um mehr über die Eigenschaften der Diclonii herauszufinden und einen Weg zu finden, Betroffene von dem Virus zu heilen. Durch eine Unachtsamkeit des Personals gelingt es Lucy, aus dem Hochsicherheitslabor, das sich auf einer kleinen Insel befindet, zu fliehen. Auf dem Weg nach draußen tötet sie viele Menschen und stürzt schließlich, von einem Scharfschützengewehr eines Sicherheitsbeamten am Kopf getroffen, ins Meer.

Am nächsten Tag wird Lucy, die durch den Treffer eine Persönlichkeitsspaltung erlitt, am Strand von Kohta und Yuka, zwei Studenten, gefunden und mit nach Hause genommen. Die zweite Seite von Lucy ist harmlos und besitzt nicht einmal die Gabe zu sprechen, sie sagt immer nur „Nyu“, weshalb die Studenten sie Nyu nennen (später lernt sie auch andere Worte, wie „Kohta“).

Da Lucy nach den Ansichten des Forschungslabors gefährlich ist, setzen sie eine Spezialeinheit auf sie an, um sie zurückzubringen oder zu töten. Dies schlägt allerdings komplett fehl, weil die Soldaten nicht vollständig über die Fähigkeiten von Lucy aufgeklärt wurden. So rechnet insbesondere der Soldat Bando nicht mit den in ihr verborgenen Fähigkeiten, als er Lucy im Bewusstseinszustand von Nyu traktiert. Durch die Schmerzen wieder in Lucy verwandelt, tötet sie seinen Kameraden und richtet auch ihn schwer zu, bevor sie sich, durch eine Erinnerung zurückgeholt, wieder in Nyu verwandelt.

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