I Diclonius sono degli esseri umani mutati con poteri paranormali. Presentano due corna sul capo e sono in grado di manipolare lo spazio intorno a loro tramite delle braccia invisibili chiamate "vettori". Essendo pericolosi per la normale razza umana, vengono rinchiusi dalla nascita in laboratori segreti di ricerca, ma una di loro, Lucy, riesce a fuggire verso il mare, massacrando qualunque persona gli si pari innanzi. Viene ritrovata sulla spiaggia in completo stato di amnesia da due ragazzi, Kouta e Yuka. Lucy si ritrova con una personalità completamente diversa e i due ragazzi decidono di chiamarla con la sola parola che riesce a dire ,"Nyuu". Non potendola lasciare sola in quelle condizioni, la portano a casa con loro in attesa di scoprire qualcosa sul suo passato. Ma intanto i militari non si arrendono e si mettono sulle sue tracce.
La tematica principale trattata in Elfen Lied è l'evoluzione e gli attriti che possono nascere tra i membri di due specie differenti. In realtà probabilmente l'aspetto più importante della serie è lo svilupparsi delle varie situazioni personali e l'intrecciarsi dei rapporti tra i protagonisti. Il tema principale, affrontato da Lucy nella sua storia personale, è la contrapposizione del carattere mite dei diclonius, molto più umano di quello dei veri esseri umani, che se sollecitato può trasformare questa razza in veri e propri mostri in grado di uccidere a sangue freddo persino i propri cari. Per questo vengono perseguitati e tenuti in quarantena e su di loro vengono eseguiti numerosi esperimenti violenti.
La serie si interessa anche a diversi traumi, come lo sdoppiamento di personalità o l'amnesia autoimposta, passando poi per vere e proprie patologie e disturbi che degenerano in abusi, come la
pedofilia.