函南優一（加瀨亮配音）是戰爭承包公司「羅斯托克社」所屬的戰鬥機飛行員，被指派到前線基地「兔離州」，對於過去一點記憶都沒有的他而言，空中戰爭就是生命的全部。在這裡，優一遇到了基地的女司令官草薙水素（菊地凜子配音），並被她所深深吸引。

另一方面，戰況日趨激烈，優一許多夥伴陸續戰死，然而，在不斷遞補進來的飛行員中，優一赫然發現，其中有一位竟然與之前已經戰死的夥伴，有著相同的折報習慣…。優一想起之前素子所告訴他的話：「殺了我，如何？要不然，我們永遠都只能是這個樣子了。…」

逐漸恢復記憶的優一終於明白，自己和夥伴不過是由戰爭承包公司製作的一群擁有青春外貌，被稱為「基爾特連」（Kildren）的商品。這些永遠長不大的孩子們，身處在一個將「戰爭」當作展覽品出售、以讓人體會「和平」的世界。當他終於明白了一切的瞬間，也下定決心要奮起迎戰，反抗命運…。

《空中殺手》是少數運用最多3DCG畫面的作品，3DCG動畫指的是從電腦裡組成的三度空間中，排好天空、雲、戰鬥機等物件之後，再使用與真人動畫操作一樣的手法，開機、就定位拍攝。

除了菊地凜子與加瀨亮，還請來栗山千明為三矢碧的角色配音，是唯一入圍第41屆錫切斯電影節的動畫長片。