La serie sigue las hazañas de Gene Starwind - un fugitivo (outlaw) del espacio - un siglo y medio después de que los humanos desarrollasen naves espaciales más rápidas que la luz. En este contexto un "fugitivo" es una persona independiente y sin lealtades gubernamentales. Outlaw Star toma los personajes del manga original con una historia totalmente diferente.

Gene, junto a su viejo socio y hacker de 12 años - Jim Hawking - lleva un negocio que se dedica un poco a todo en el retrasado planeta de Centinela III. Tras aceptar un trabajo como guardaespaldas para una misteriosa fugitiva, ambos se convierten en los dueños y tripulación de un prototipo de nave espacial altamente avanzada, el XGP15A-II, llamado más tarde Outlaw Star, y los cuidadores de una androide muy similar a los humanos llamada Melfina. Durante el transcurso de la serie, la tripulación crece para incluir la cazarrecompensas "Crepúsculo" Suzuka y Aisha Clan Clan, una humanoide con rasgos de gata.

La serie es principalmente episódica por naturaleza, combinando acción, suspense, y comedia, aunque, hacia el final de la serie la línea de la historia concierne a la búsqueda de la Línea Galáctica, una construcción mítica que concede un deseo, oculta en algún lugar de la galaxia.