La historia de Elfen Lied presenta una especie ficticia, los diclonius, como una mutación humana con dos pequeños cuernos parecidos a las orejas de un gato. Poseen poderes telequinéticos gracias a sus receptores vectoriales; estos vectores, como se les suele denominar, se asemejan a largos brazos invisibles capaces de vibrar a una frecuencia tal que llegan a cortar materiales muy duros como el metal o la piedra. También disponen de una percepción extrasensorial que les permite sentir la presencia de otros sujetos de su raza.
Los diclonius pueden reproducirse de la forma convencional o infectando a un humano al insertar sus vectores en el cuerpo de éste. A partir de entonces, los hijos que conciba esa persona serán diclonius, de una variante llamada silpelt; a diferencia de los diclonius normales, los silpelits sólo pueden ser hembras crecen el doble de rápido que los humanos y son estériles en el sentido habitual, pudiendo reproducirse únicamente a través de sus vectores.
La mayor parte de los diclonius muestra un comportamiento homicida a partir de los tres o cuatro años de edad, presuntamente debido al instinto asesino inherente a su personalidad. No obstante, a lo largo de la historia se insinúa la posibilidad de que el carácter de los diclonius no sea parte de su naturaleza sino resultado de los abusos cometidos en ellos por los humanos. Justificaciones de la teoría innata son que buena parte de los casos descubiertos de niños diclonius se producen a raíz de que ellos mismos asesinen a sus propios padres o las declaraciones de Lucy en las que dice que «nació para destruir la
raza humana».
Por otro lado, la relación entre Lucy y kota durante su infancia, el carácter pacífico de Nana, o el cambio producido en Mariko al conocer a su padre,sugieren la capacidad de los diclonius de sentir empatía hacia los humanos, habiendo desarrollado sus características sádicas como consecuencia de su interacción con un mundo que los teme y desprecia.
La historia comienza con una joven, llamada Lucy, escapando de unas instalaciones de investigación en una isla cercana a la costa de Kamakura en la prefectura de Kanagawa Japón. Desarmada y desnuda, a excepción de un casco de metal que oculta sus rasgos, consigue salir del recinto tras desmembrar y asesinar a varios guardias y empleados utilizando una especie de poderes sobrenaturales. Momentos antes de escapar, un francotirador le dispara a la cabeza con un fusil de calibre.50, provocándole una herida leve al partir el casco y descubriendo dos protuberancias óseas, como pequeños cuernos, saliendo de su cabeza; tras esto, la joven se despeña inconsciente por un acantilado y cae al mar.
A la mañana siguiente, un joven llamado Kōta se traslada a Kamakura para comenzar sus estudios en la universidad. Es recibido por Yuka, su prima, que le permite alojarse en una vieja y abandonada posada (ryokan, en japonés) de su familia a cambio de que la mantenga limpia y cuidada. El pasado de ambos está ensombrecido por las trágicas muertes del padre y la hermana de Kōta cuando eran niños, aunque éste no parece recordar las circunstancias exactas del suceso. Kōta y Yuka pasean esa tarde por la playa de Yuigahama, donde encuentran a Lucy. A causa del impacto en la cabeza, ésta desarrolla una doble personalidad; a diferencia de la sádica e impasible Lucy, la nueva personalidad es dócil, inofensiva e incapaz de decir otra cosa que Nyu (motivo por el que Kōta y Yuka deciden llamarla así). Sin saber qué hacer con ella, y a pesar de los extraños cuernos de su cabeza, la llevan a la posada para curarle la herida y cuidarla. Mientras tanto, el director Kura, responsable de los laboratorios de investigación, envía a la unidad de operaciones especiales de la policía japonesa, el SAT, en busca de la diclonius. Bando, un miembro de la unidad especialmente violento e impulsivo, encuentra en la playa a Nyu, que ha huido de la posada después de que Kōta la reprenda por romper un recuerdo de su hermana. Al ser atacada por Bando, la personalidad de Lucy aflora sesgándole ambos brazos e hiriéndolo en los ojos. No obstante, no acaba con él al volver a tomar el control la personalidad de Nyu. Mayu, una niña sin hogaar que huyó de casa ante los abusos de su padrastro, atiende a Bando evitando que muera desangrado.
Lucy vuelve a Kamakura y encuentra a Kōta, que le pide ir hasta el faro de Enoshima donde trata de convencerla para que deje de matar; no obstante, Kurama aparece y dispara a la diclonius hiriendo de gravedad al muchacho, quien interpone su cuerpo para salvarla. Forzando su poder, la joven evita que Kōta muera al detener la hemorragia sacrificando su propio cuerpo, que empieza a fundirse. El resto de habitantes de la posada se reúne con ellos pero son atacados por las fuerzas armadas de Japón. Ante la proximidad de su muerte, Lucy y Nyu son inhibidas por Kaede, la personalidad original de la niña diclonius, quien enloquecida se dispone a destruir el mundo antes de morir. Sin embargo, a petición de la propia Kaede tras ser consciente de sus actos, Kōta acaba con la vida de la diclonius.
