2005年～06年にかけてテレビ放映され人気を博したボンズ制作のSFジュブナイルアニメーション「交響詩篇エウレカセブン」を、新たな構想に基づいてゼロから描いた劇場版3部作の第2弾。孤独な少女アネモネの苦悩と成長を軸に、人類の敵であるエウレカセブンとの戦いが描かれ、アネモネとエウレカの出会いをきっかけに「ハイエボリューション」シリーズの真の世界が明らかになる。監督の京田知己らオリジナル・スタッフが前作に引き続き制作にあたる。
早くに母を亡くした幼い少女アネモネは、その後戦場に赴いた父までもが帰らぬ人となり、孤独と隣り合わせの日々を余儀なくされた。7年後、特殊部隊アシッドの一員となったアネモネは26億人を滅ぼした人類の恐るべき敵、7番目のエウレカ=エウレカセブンと戦うため、かつて父が散った東京の戦場に投入される。“ダイブ”によってエウレカセブン内へと意識を送り込まれたアネモネは、そこで青年ドミニクと青緑の髪をした少女エウレカと出会うが、その傍らレントンという名の少年の姿を発見するのだった。