Film animasi aksi fiksi ilmiah Gantz: O mengisahkan sekelompok orang yang telah meninggal dunia, tetapi mendapat kesempatan hidup kedua melalui permainan mematikan yang dikendalikan oleh sebuah bola hitam misterius bernama Gantz.

Cerita dimulai ketika Masaru Kato tewas saat berusaha menyelamatkan seseorang dari serangan di stasiun kereta bawah tanah. Namun alih- alih benar-benar mati, ia terbangun di sebuah ruangan bersama beberapa orang lain, termasuk Reika Shimohira, Yoshikazu Suzuki, dan Joichiro Nishi. Di sana mereka mengetahui bahwa mereka telah direkrut oleh Gantz untuk menjalankan misi berbahaya melawan monster-monster yang mengancam kota.

Mengenakan kostum tempur berteknologi canggih, mereka diteleportasi ke Osaka untuk menjalani misi terbaru. Kato kemudian mengetahui aturan permainan tersebut: para peserta harus memburu dan membunuh monster dalam batas waktu tertentu. Setiap monster yang dikalahkan akan menghasilkan poin, dan pemain yang mencapai 100 poin dapat memilih hadiah berupa senjata yang lebih kuat, menghidupkan kembali rekan yang telah gugur, atau memperoleh kebebasan dari permainan mematikan itu.

Berbeda dari peserta lain yang hanya fokus bertahan hidup, Kato tetap berusaha menyelamatkan warga sipil yang terjebak dalam serangan monster. Sikapnya menarik perhatian Anzu Yamasaki, anggota tim Osaka yang akhirnya memutuskan membantu Kato. Di tengah pertempuran, keduanya semakin dekat karena sama-sama memiliki orang yang ingin mereka lindungi.

Situasi berubah menjadi mimpi buruk ketika monster utama yang sangat kuat muncul dan menghabisi banyak anggota tim. Bahkan Hachiro Oka, petarung legendaris yang telah tujuh kali memenangkan permainan Gantz, kesulitan menghadapinya. Pertarungan sengit pun terjadi, memakan banyak korban dan memaksa Kato mempertaruhkan nyawanya demi memberi kesempatan kepada rekan-rekannya untuk menang.

Pada akhirnya, monster tersebut berhasil dikalahkan, tetapi Yamasaki tewas dalam prosesnya. Setelah perhitungan skor, Kato berhasil mengumpulkan 100 poin. Alih-alih memilih kebebasan untuk dirinya sendiri, ia menggunakan hak tersebut untuk menghidupkan kembali Yamasaki. Keputusan itu menegaskan sifat Kato yang selalu mendahulukan orang lain, bahkan setelah melewati permainan paling brutal sekalipun.