2013年1月から3月まで中部日本放送（現：CBCテレビ）、TOKYO MX、サンテレビ、AT-Xにて放送された。原作の第1部から第3部（単行本の1巻から3巻の前半およびその間の番外編）までの内容を再構成したものになっており、第4部以降の人物は小野崎功（前述）以外は登場しない。テレビアニメ化にあたり、原作内ではあまり描かれていなかった春香の半生がプロローグとして詳細に描かれ、設定や内容も原作から多少変更されている。オープニング後の提供クレジットでは、琴浦町の風景や名所が背景に使われている。琴浦町のある鳥取県では放送されていないが、琴浦町のホームページには「ケーブルテレビ加入者はサンテレビで視聴可能」と案内されている。2017年8月現在、CBCが手掛けたテレビアニメ（深夜アニメ）の中で最も新しい作品であり、CBCのラテ兼営時代最後のテレビアニメでもある。
※年齢は作者の公式サイトにある「人物紹介」より。担当声優はイベント・DVD「マンガ★ライブ 2009 AUTUMN」 / テレビアニメの順。声優1人だけの記載の場合はテレビアニメ版のみであることを示す。
アポロ、シリウス、頭翅の三人による「創聖合体」によって地球が救われてから、1万2千年後の世界。人類は「アルテア界」と呼ばれる異界から送られてくる巨大兵器「アブダクター」の脅威に晒されていた。アルテアでは「イヴの呪い」と呼ばれる現象によって女性が生まれなくなり、絶滅の危機に瀕した彼らは、種の存続のため地球（ヴェーガ）へと侵攻し女性を攫っていた。アブダクターと戦うために「ネオ・ディーバ」の所有する伝説の機械天使「アクエリア」によって対抗していたが、過去に起こった事故以来、男女エレメントによる合体は禁じられていたため、アクエリアの本来の力を発揮出来ず苦戦を強いられていた。ある日、空飛ぶエレメント能力を持った少年アマタは、一目惚れした少女ミコノとのデートの最中に戦闘に巻き込まれ、二人は偶然アクエリアに乗り込むこととなる。そして真の名である「アクエリオン」を叫んだ時、3機のベクターは禁断の男女機合体によって封印されていた機械天使「アクエリオンEVOL」を覚醒させた。アルテアの兵士であるカグラの撃退に成功したアマタは、その力を見込まれアクエリオンのパイロットを育成する「聖天使学園」にミコノと共に入学することとなる。後に男女間の交流を禁止していた学園の規則は、不道ZEN総司令の帰還と同時に消え、波乱に満ちた学園生活が始まることとなった。アブダクターとの戦いで、徐々にアクエリオンの力を目覚めさせていくアマタ。その戦いの中で出会ったカグラはミコノに強い執着を見せる。二人の様子を見たアマタは、二人がアポロとシルヴィアの生まれ変わりではないかと考えるようになる。そして、アルテア界の神官であるミカゲが、最高指導者のイズモを無視してカグラの暴走を煽り始めたことにより、戦いは激しくなっていく。その後、ネオ・ディーバに攻め込んできたイズモに攫われた仲間を奪還するため、アマタ達はアルテア界に潜入する。そこでアマタは幼い頃失踪した、昏睡状態の母アリシアを目撃する。仲間の奪還に失敗し地球に戻ったアマタは、失った記憶を取り戻したカグラと再会し、二人が同一人物であることを知る。母が失踪したその日、ミカゲの能力によってアマタは二人に分裂し、ミカゲによってカグラとして育てられたのだった。同一人物であることを知った後も二人は激しく対立し、カグラはミコノをアルテアへと拉致する。さらに不動司令が発掘した「神話型アクエリオン」もミカゲによって奪われてしまった。アルテアへと帰還したカグラは、ミコノを独占するためにアルテアを裏切り、ミカゲから与えられた神話型アクエリオンに乗ってアルテア軍を殲滅し始める。再びアルテア界へと潜入したアマタは、昏睡から目覚めた母と再会し、夫であるイズモの願いを聞き入れ、死に瀕したアルテアを救うために来たことを明かす。その直後、カグラとイズモの戦いの巻き添えをとなってアリシアは死亡し、同じく瀕死の重傷を負ったイズモもアマタに看取られ亡くなった。怒りに燃えたアマタはカグラと激突する。その頃、アマタに片思いしているゼシカの心を利用して肉体を乗っ取ったミカゲはミコノと強引に合体し、さらにカグラをも操り、神話型アクエリオンを「エンシェントAQ」へと変貌させる。ミカゲの正体は、1万2千年前に創世合体を行い世界を救った頭翅であった。合体を行った瞬間、アポロがアポロニアスの転生者ではなく、その忠犬ポロンの転生者であることを知り、絶望した瞬間に生まれたのがミカゲだった。そして復讐のために、ポロンの転生者であるアマタをカグラの二人に分けるなどの様々な計略を巡らせ、遂にはアルテアとヴェーガを衝突させて世界を破滅させようと目論んでいたのだった。エンシェントAQはアルテアとヴェーガのエネルギーを吸い取り巨大化しより強大となっていくが、エンシェントAQに取り込まれたミコノを救うためにアマタは食い下がる。その姿を見たカグラの後押しを受けて、アマタはミコノを救い出すことに成功する。そしてアマタと合体したエンシェントAQは「アクエリオンLOVE」へと姿を変え、エンシェントAQによって吸い取られていたアルテアとヴェーガのエネルギーを元に戻し、破滅寸前にまで追い込まれていた世界を救った。そして肉体を失ったミカゲは、真のアポロニアスの転生者である不動・ZENによってその魂を鎮められた。それからしばらく経った復興が進むネオ・ディーバでは皆新たな生活を始めていた。MIXは無事女性に戻ることができスオミがドナールの子供を身篭るなど明るい出来事が続く中、ついにアマタとミコノがアクエリオンLOVEと共に帰還。カグラをはじめ皆が二人の帰還を祝福、これをもってネオ・ディーバは恋愛解禁となった。