Satoshi dan Pikachu telah tiba di Kota Lumiose di wilayah Kalos yang terkenal untuk menangkap lebih banyak Pokémon dan melanjutkan perjalanan mereka untuk menjadi yang terbaik. Sementara itu, seorang penemu jenius bernama Citron dan adik perempuannya, Eureka, berkeliaran di kota ketika mereka bertemu dengan Satoshi yang dengan cepat menantang mereka untuk bertarung. Namun, mereka segera terjebak dalam insiden berbahaya ketika Tim Rocket, yang mengikuti Satoshi ke Kalos, menyebabkan seekor Gaburias mengamuk di seluruh kota.

Jauh di Kota Vaniville yang tenang, seorang gadis muda bernama Serena bekerja keras menjalani latihan mengendarai Sihorn setiap hari atas perintah ibunya, seorang pembalap Sihorn profesional. Setelah latihan, dia melihat peristiwa yang terjadi di Kota Miare di televisi di mana dia mengenali seorang anak laki-laki dari masa kecilnya. Setelah meninggalkan dampak yang signifikan dalam hidupnya, melihat anak laki-laki itu membangkitkan keinginannya untuk bertemu dengannya lagi; dan karena itu, Serena berangkat ke Kota Miare, bertekad untuk menemukan anak laki-laki dari masa lalunya.

Pokemon XY mengikuti kelompok ini saat mereka melakukan perjalanan ke seluruh Kalos untuk mengejar ambisi mereka-Satoshi menantang gym Pokemon, Citron belajar dari Satoshi, dan Serena mencari tahu apa sebenarnya mimpinya. Di sepanjang perjalanan, mereka bertemu dengan teman-teman baru, menghadapi saingan baru, dan terus menggagalkan rencana Tim Rocket, sambil menemukan sedikit tentang misteri evolusi besar.