Elfen Lied mostra uma evolução da humanidade, os Diclonius. Os Diclonius se parecem muito com humanos normais, porém possuem algumas diferenças: possuem um par de pequenos chifres em suas cabeças, sempre possuem cabelos e olhos avermelhados/rosados, conseguem sentir a presença de outros de sua espécie e a principal diferença são seus vectors, que são como braços invisíveis que saem de suas costas. Geralmente são dois pares e podem variar a área de alcance, e usam esses "braços" em especial para matar e para se defender de tiros. Por causa dessas característica especiais, os Diclonius sofrem grande preconceito, por isso logo aprendem a ter um certo ódio por humanos e começam a matar. Por isso, quando são identificados, são trancados em um laboratório onde começam a fazer experiências com eles, aumentando ainda mais seu ódio. Os Diclonius nascem de pessoas normais, mas cujo o pai ou a mãe foi infectado com um dos vectors de outro Diclonius.
A história começa com a fuga de Lucy, uma Diclonius poderosa, de uma ilha, um centro de pesquisas, fortemente protegido por gente armada, com uma instalação científica enorme. Na tentativa de impedi-la, um atirador acaba acertando seu capacete e a derruba no mar. Depois ela é encontrada por Kouta e sua prima, Yuka, sem roupas, sem memória alguma, com comportamento de uma criança pequena e a única coisa que conseguia falar era Nyuu. Por ela só saber falar isso, eles acabam chamando-a de Nyuu mesmo. Depois ela acaba indo morar com Kouta, numa antiga pensão fechada, que ele havia alugado para morar enquanto estudava na universidade. Enquanto isso, o pessoal que trabalha no laboratório está desesperado atrás de Lucy, e enviam assassinos profissionais e outras Diclonius atrás dela.