新多シンはオカルト好きの小学5年生。ある日に姉のアユと共に旧丸山変電所に訪れる中、碓氷アブトという少年と出会い、彼を追いかけるうちに碓氷峠鉄道文化むらの地下にたどり着く。そこには巨大怪物体へ対抗するために開発された「シンカリオン」と呼ばれるロボがあり、アブトはそれを操縦しようとするが、起動できなかった。すると、シンにシンカリオンの適正があることが判明し、代わりにシンが出撃することになる。こうして、シンはシンカリオンの運転士となるが、一方でアブトは複雑な思いを抱えていた。シンとアブトの出会いはどんな運命を導くのか。

「新幹線変形ロボ シンカリオンZ」は、新幹線が進化を遂げた第2弾のアニメ作品です。前作から一新された主要キャラクターたちが登場し、さらなる進化を遂げた"シンカリオンZ"とともに、未知なる敵と戦います。新たな敵の出現により、「シンカリオン」の世界観はさらに深まり、視聴者を引きつけます。新幹線が変形ロボットに変わるという独特の設定はそのままに、物語は新たなステージへと進んでいきます。