A série trata-se de quatro adolescentes da Academia Kadic, chamados Jeremy, Yumi, Odd e Ulrich, que descobrem Aelita, uma humana virtual, e viajam para Lyoko por meio de Scanners Transportadores em uma fábrica abandonada, para defender a Terra.

Uma identidade digital malvada, chamada X.A.N.A, criada por Franz Hopper, um antigo professor de ciências que, porventura, é o pai de Aelita, quer a dominação do mundo. Ataca o mundo real ativando torres de controle em Lyoko, geralmente uma por vez apesar de já ter sido provada a capacidade de ativar até cinco torres ao mesmo tempo, que atuam como prolongamentos de X.A.N.A no mundo real, ou seja, quanto mais torres ativadas, X.A.N.A consegue mais "estragos" na terra (ou fica mais forte). O grupo precisa se virtualizar através de um dos três scanners do laboratório (apenas Yumi, Ulrich e Odd já foram virtualizados ganhando uma espécie de "skin" virtual. Jérémie já foi à Lyoko duas vezes: em uma ele ficou preso entre o mundo real e o virtual,mas manteve a aparência 2D e na segunda vez não foi mostrado o seu "skin" 3D), ajudar Aelita a encontrar a torre ativada entre as mais de 40 distribuídas pelos cinco setores de Lyoko: Glacial, Deserto, Floresta, Montanhas e a Área 5 enquanto Jeremie se encarrega de detectar monstros, guiá-los pelo caminho e ajudá-los de dentro da sala do laboratório, onde controla um computador ligado diretamente ao supercomputador. Aelita deve desativar a torre, entrando nela e digitando na interface: Lyoko (uma espécie de Código,que desativa a torre). Assim pode deter o ataque de X.A.N.A contra o mundo real; então o supercomputador volta no tempo para antes do ataque ocorrer (esse "recurso" é usado por X.A.N.A para aumentar seu poder ,toda vez que volta no tempo, X.A.N.A fica mais forte), de modo que apenas os quatro garotos (de uma forma não muito bem explicada, mas dá para entender que todos que foram materializados em Lyoko pelo menos umas vez se lembram) lembrem-se do que aconteceu. Para complicar, eles devem se certificar que niguém morre(porque a volta no tempo não pode desfazer a morte nem devolver a vida às pessoas), guardar em segredo suas aventuras e cuidar para que ninguém descubra Lyoko ou os interiores da fábrica (para que ninguém desligue o supercomputador e mate Aelita) tornando-os jovens quase normais no mundo real, e guerreiros virtuais em Lyoko.

No final da terceira temporada, eles decidem colocar o William no grupo, mas ele acaba se tornando o servo de X.A.N.A depois que o Scyphozoa possuí ele. A partir daí, o grupo tem que lutar para trazer o William de volta e derrotar o X.A.N.A para sempre.