Il protagonista della serie è il principe Duke Fleed, fuggito dopo una disperata resistenza a bordo di un avanzatissimo robot da battaglia, Goldrake (Grendizer) dal suo pianeta natale Fleed in seguito all'attacco delle truppe del feroce Re Vega. Le Forze di Vega infatti si propongono di sottomettere i pianeti invadendoli ed annettendoli al loro impero.
Giunto sulla Terra Duke Fleed viene trovato gravemente ferito dal dottor Procton (Genzo Umon), direttore dell' Istituto di ricerche spaziali, il quale lo accoglie e lo nasconde sotto le mentite spoglie di Actarus (Daisuke Umon), facendolo passare per il proprio figlio di ritorno da un lungo viaggio. Anche Goldrake con il suo disco spaziale (Spacer) viene nascosto all'interno dell'Istituto, nei cui sotterranei viene costruito una sorta di enorme hangar.
Circa otto anni dopo, continuando il loro progetto di invasione, anche le truppe di Vega giungono presso la Terra e, sotto la guida del comandante Hydargos (Blacky) e del feroce generale Gandal (che è un tutt'uno con la moglie, Lady Gandal, essendo questa la metà femminile dell'essere mostruoso che insieme formano: anche lei fa dunque parte dei nemici) stabiliscono la base Skullmoon sulla Luna. Actarus si troverà ad utilizzare nuovamente Goldrake per difendere il suo pianeta adottivo. Ad aiutarlo c'è il giovane Alcor (Koji Kabuto), il quale pilota un disco volante di sua progettazione e costruzione chiamato TFO. I due oppongono una agguerrita resistenza, anche se a malapena riescono a rintuzzare i continui assalti degli invasori di Vega, che ogni volta inviano uno o più mostri combattenti (inizialmente solo robot pilotabili al loro interno, poi anche animali trasformati in cyborg) insieme a pattuglie di minidischi.
Durante i periodi di tregua, Actarus vive e lavora come inserviente nella fattoria di Rigel (Danbei Makiba) e dei suoi due figli, Mizar (Goro Makiba) e Venusia (Hikaru Makiba), innamorata di lui e inizialmente all'oscuro, come chiunque, della sua reale identità, finché un giorno per salvarla da una caduta da un precipizio egli deve ricorrere alle sue capacità superiori e trasformarsi in Duke Fleed, rivelando il suo segreto. Le battaglie contro lo flotte di Vega intanto proseguono fino a quando Hydargos, stanco delle molteplici sconfitte che ne minano il prestigio e l'autorità sotto la pressione di Gandal, progetta e mette in pratica un massiccio attacco al centro spaziale con l'utilizzo di ben tre mostri spaziali e centinaia di minidischi. Il comandante di Vega stavolta sembra avere la meglio; il disco di Alcor viene distrutto, Venusia viene ferita gravemente e il centro spaziale viene invaso dalle truppe di Vega. Nel frattempo i tre mostri danneggiano seriamente Goldrake e Actarus è costretto a nascondere il robot in una caverna e tornare a piedi al centro spaziale per prendere i pezzi di ricambio; quando vi arriva trova il centro sotto l'invasione dei nemici ma con coraggio e abilità riesce a raggiungere la stanza dove Venusia è ormai in fin di vita. La ragazza si salva solo con una trasfusione del sangue alieno di Actarus che si rivelerà essere universalmente compatibile e addirittura terapeutico, tanto da permetterle di riprendersi velocemente. Venusia riuscirà persino a liberare Alcor e Procton prigionieri e ad ingannare il comandante Hydargos, fingendo di condurlo da Goldrake ma in realtà portandolo a spasso, dando il tempo ad Actarus di riparare il robot danneggiato . Per vendicarsi il perfido veghiano getta la ragazza da un dirupo, ma ella viene presa al volo dalle possenti mani di Goldrake ed affidata ad Alcor sopraggiunto con la speciale moto, con tre ruote e tre posti, di Actarus. Questi sconfigge i due mostri rimasti in una memorabile battaglia e subito dopo, facendo fuoco con tutte le armi di Goldrake e dello Spacer si scontra con l'enorme ma goffa e fragile astronave madre, distruggendola. Mentre Gandal fugge terribilmente ustionato dalle fiamme, Hydargos rimane coraggiosamente a combattere spinto dal suo onore di comandante e dall'odio inestinguibile per Actarus. In alcuni bellissimi quadri still-frame si vede la sequenza in cui Goldrake irrompe con lo Spacer nell'astronave madre fino a raggiungere un terrorizzato Hydargos che pagherà con la vita la sua malvagità.
In seguito Venusia, che si rivelerà essere un'abile ginnasta e una tenace combattente, deciderà di combattere al suo fianco. Ciò sarà reso possibile dal programma di potenziamento di Goldrake messo a punto dal dottor Procton. In realtà il robot non riceverà nessun upgrade, non avrà nuove armi e le sue prestazioni rimarranno le stesse (del resto non esiste sulla terra il metallo con cui è costruito, il guren, da cui il nome giapponese Gurendizer), ma verranno costruiti dei veicoli di appoggio sullo stile del jet scrander di Mazinga Z e del Great Booster del Grande Mazinger. Così Venusia si vedrà assegnare il Delfino Spaziale (Marine Spacer), un mezzo in grado di far muovere agevolmente il Goldrake anche al di sotto della superficie dell'acqua, dopo che Alcor aveva già ricevuto un nuovo mezzo battezzato Goldrake 2 (Double Spacer, appare nell'episodio "Il terremoto misterioso"), grazie al quale Goldrake potrà volare più agilmente rispetto al proprio disco Spacer. Questi mezzi (oltre ad aumentare il merchandising della serie), permettono al robot di superare i suoi limiti strutturali quali l'incapacità di volare senza la sua astronave e di muoversi in acqua.
Dopo la morte di Hydargos, Gandal viene affiancato dal Ministro delle Scienze Zuril, proveniente da una stella alleata a Vega; un individuo decisamente audace (che non esita a scendere personalmente in campo, anche travestendosi) e di grande cultura scientifica, nonché abile stratega. Questi si contrapporrà spesso a Gandal (la cui parte femminile ha cambiato aspetto dopo i trattamenti cui si è sottoposta per curare le bruciature riportate nell'esplosione in cui era perito Hydargos) sicché i due finiranno sovente per contrastarsi anziché cooperare (emulando le lotte intestine che dividevano il Conte Blocken e il Barone Ashura in Mazinga Z, e i vari generali delle sette armate di Mikenes in Grande Mazinger), anche se non mancheranno di allearsi contro Dantus, un altro comandante di Vega che aveva quasi sconfitto Goldrake utilizzando un gigantesco gorilla-cyborg da lui costruito. In questa occasione vediamo che, come in tante altre serie robotiche, l'eroe della serie non è in realtà invincibile e che a volte si salva solo per la stoltezza del nemico, così come a volte è l'impulsività del pilota a metterlo in pericolo: in definitiva, non sempre vince il più forte e anche la fortuna ha una grossa parte.
Intanto ha fatto la sua entrata in scena Maria (Maria Grace Fleed), la sorella di Actarus. Anche lei era arrivata sulla Terra, salvata (ancora bambina) da un anziano abitante del pianeta Fleed che l'aveva allevata come fosse sua nipote. Costui morirà, ucciso accidentalmente da un disco di Vega. In punto di morte, egli rivelerà tutto a Maria implorandola di riprendersi la sua eredità, il Goldrake, e consegnandole l'emblema del suo lignaggio reale, un medaglione, una pistola a raggi e un pugnale. In seguito Maria, credendo di trovare in Actarus il suo acerrimo nemico, cerca di ucciderlo ma il suo pugnale riesce solo a lacerare la sua casacca e a far cadere un medaglione col simbolo del pianeta Fleed, uguale al suo che le svela la verità: i due sono fratello e sorella, eredi della famiglia reale di Fleed. Da questo momento anche Maria coadiuva il fratello in battaglia, e lo fa con un nuovo mezzo, la Trivella Spaziale (Drill Spacer), in grado di far penetrare il Goldrake sottoterra.
La lotta prosegue e le forze di Vega subiscono numerose sconfitte, mentre il loro impero comincia a dissolversi. La Stella Vega, contaminata dalle radiazioni del Vegatron, il minerale fonte di energia della sua civiltà, sta per diventare una stella morta e la Terra apparirà agli alieni come l'unica speranza per la sopravvivenza. Gli attacchi si faranno quindi sempre più decisi e disperati. Actarus e gli altri fronteggiano non solo con i propri mezzi, ma principalmente con il coraggio, la forza di gruppo e lo spirito di sacrificio, gli invasori che intanto sono sempre più impegnati in lotte interne per conquistarsi i favori del loro sovrano.
Intanto la guerra s'inasprisce, con molte vittime: Cain e Marcus, grandi amici d'infanzia di Maria e Actarus, e il giovane e coraggioso condottiero Fritz, figlio di Zuril. Queste morti susciteranno nell'una e nell'altra parte forti desideri di rivalsa.
Re Vega, nel tentativo di assicurarsi il buon esito della guerra, approfitta dell'amore che la figlia Rubina, ex promessa sposa di Actarus, dimostra per quest'ultimo, per cercare di attirarlo in una trappola. Actarus, catturato dal ministro Zuril (infatuato anch'egli di Rubina), l'accusa di averlo ingannato, ma la giovane principessa con un gesto estremo lo salva, finendo per morire fra le sue braccia. Morirà anche il ministro Zuril, folgorato dal raggio laser di Alcor.
Ormai l'esercito di Vega è quasi privo di risorse e riesce a costruire un ultimo fortissimo robot mostro che, pilotato dalla parte femminile del comandante Gandal, si lancia in un ennesimo disperato attacco. Contemporaneamente Actarus si mette in viaggio verso la base nemica meditando un attacco suicida ma Alcor intuisce le sue intenzioni, lo insegue e lo costringe a tornare minacciando di seguirlo anche a costo della vita, infatti mentre stanno per uscire dall'atmosfera terrestre la struttura del Goldrake 2 comincia a cedere perché non è costruito per volare nello spazio. Mentre stanno tornando vengono attaccati a tradimento da Lady Gandal: Alcor perde i sensi e Actarus lo salva gettandosi con il Goldrake dal suo spacer e prendendo al volo il mezzo dell'amico, ma viene nuovamente attaccato e indebolito dai raggi dell'avversario. Quando ormai è sul punto di soccombere l'arrivo dei mezzi di soccorso distrae la moglie di Gandal, e finalmente Goldrake riesce a distruggere il robot nel quale si trova la coppia, tagliandogli la testa, che però non esplode: il violento trauma provoca un mutamento di personalità nella parte femminile di Gandal che dopo aver addormentato l'altra metà propone ai terrestri di lasciarla vivere in pace sulla Terra promettendo di uccidere il proprio re. Ella sta quasi per riuscirci ma viene fermata e uccisa dalla sua metà maschile, che desiderando riscattarsi con re Vega si schianta volontariamente con la sua astronave contro Goldrake senza riuscire a distruggerlo, morendo dopo aver invocato il nome del suo sovrano, mentre si inabissa col suo mezzo in mare.
Nella battaglia finale contro tutte le forze di Vega rimaste, lanciate in un ultimo disperato attacco, i compagni di Actarus alla guida di una nuova astronave, il Cosmo Speciale distruggono sistematicamente tutte le navi e i minidischi mentre Goldrake combatte contro la nave imperiale di Re Vega. Inizia un lungo combattimento e Actarus, dopo essere stato in difficoltà, con l'aiuto dei suoi amici riesce a danneggiare gravemente il nemico e re Vega, vistosi sconfitto, per vendicarsi ordinerà di fare schiantare la propria astronave sulla Terra per contaminarla con le proprie ceneri radioattive, ma Actarus riuscirà a fermarlo in tempo: con un ultimo colpo della sua alabarda spaziale, la sua arma più caratteristica, il Goldrake squarcia la sezione di comando della nave colpendo lo stesso sovrano che, in un ultimo delirio di onnipotenza, muore nell'esplosione finale, mentre i nostri eroi si lasciano andare ad un pianto di gioia.
Terminata la guerra con la rassicurazione che la loro patria natale Fleed sta tornando alla vita, Actarus e Maria decidono di tornarvi per ricostruire, assieme a coloro che scamparono all'invasione da parte di Vega, il regno perduto.
In un commosso commiato dal padre adottivo Procton e dagli amici più cari, Actarus e Maria decollano alla volta di Fleed e l'ultima sequenza li vede arrivare sul loro pianeta ormai rifiorito.