Lain Iwakura, quatorze ans, timide et maladroite en société, reçoit un étrange courriel de Chisa Yomoda, une camarade de classe qui a récemment mis fin à ses jours. Bien qu'elle n'ait aucun intérêt ni expérience pour la technologie, Lain ouvre le message, qui la transporte dans le Wired, un réseau de communication numérique semblable à Internet dans le monde réel. Son existence est bouleversée alors qu'elle fait face à une série d'énigmes mystérieuses. Des individus connus sous le nom de Men in Black commencent à apparaître dans son entourage, l'interrogeant avec une connaissance de sa vie qui dépasse sa propre conscience de soi. Alors que la frontière entre la réalité physique et le cyberespace devient de plus en plus floue, Lain est entraînée dans des situations de plus en plus surréalistes qui remettent en question les conceptions traditionnelles de l'identité, de la conscience et de la perception. Créée par Chiaki J. Konaka, qui a créé Texhnolyze, Serial Experiments Lain est un mystère psychologique et avant-gardiste qui suit les décisions cruciales de Lain, qui résonnent à la fois dans le monde tangible et dans le Wired. Seule Lain peut saisir le véritable poids de ces existences doubles alors qu'un royaume se ferme et qu'un autre s'ouvre.
