《机械手臂》的剧情发生在2024年的日本北镜市。故事的主角是一名过着普通生活的中学生，名叫小光。某天，他意外地遇到了一个神秘的“手臂”型机械生命体，名为阿尔玛。阿尔玛为了从小光那里获得能量，尝试与他的身体结合，但未能成功，最终却意外地与小光身上的连帽衫结合在了一起。

与此同时，一个名为“镜集团”的大企业正在追捕阿尔玛，企图将其转化为武器。而另一方面，一个名为“ARMS”的组织也在寻找阿尔玛，目的是拯救和解放像阿尔玛这样的机械生命体。

小光无法抛弃失去记忆且正感困扰的阿尔玛，于是披上了与阿尔玛结合的连帽衫，被卷入了由机械使们展开的一系列大事件中。他们不仅要躲避“镜集团”的追捕，还要面对其他组织的挑战，同时寻找阿尔玛失去的记忆和真相。

在这个过程中，小光和阿尔玛逐渐建立起深厚的友谊，他们共同战斗，不断成长，最终揭露了隐藏在背后的巨大阴谋，并成功拯救了阿尔玛和其他机械生命体。