孩子們駕駛E5系“隼號”、N700A“希望號”等真實存在的新干線列車變形而成的巨型機器人“SHINKALION”，與威脅地球的新型敵人納哈涅展開對抗。在次世代新干線試驗車ALFA-X作為最強機體登場后，主角速人因父親北斗被敵方襲擊失蹤而陷入困境。意外穿越時空出現的9歲北斗少年，為守護地球并尋找返回原時間的方法，決心成為新型機體SHINKALION ALFA-X的駕駛員。由釘宮理惠配音的少年北斗與團隊展開跨時空協作，而伊藤健太郎、吉田鋼太郎分別獻聲的反派納哈涅及其軍師奧哈內夫，則持續對新干線超進化計劃實施阻撓。本片延續動畫系列“兒童駕駛員與成人技術人員協作”的核心設定，通過時空穿梭要素展開父子羈絆與未來保衛的雙重敘事。