In der Stadt Daikoku macht sich im Jahr 2026 eine Gruppe von Kindern mit Hilfe von computergestützten Brillen, die eine Erweiterte Realität ermöglichen, auf die Suche nach den Geheimnissen ihrer Umgebung, die neben der realen Welt auch aus online eingespeisten Cyber-Komponenten besteht. Durch die mit dem Internet verbundenen Brillen offenbart sich den Kindern eine Welt, die Spiele, virtuelle Haustiere und Internetviren beinhaltet. Mit Hilfe von Softwaretools interagieren sie mit ihrer Umgebung und verändern dadurch auch den digitalen Teil der Landschaft. Yuko Okonogi, die gerade mit ihrer Schwester nach Daikoku gezogen ist, trifft bei der Suche nach ihrem hundeartigen Cyber-Pet auf Fumie, Mitglied der Coil Detektei für Cyberermittlungen, die einem Illegalen - eine Art zufällig entstandener Virus - auf der Spur ist. Yuko bittet Fumie kurzerhand um Hilfe bei der Suche nach ihrem Pet Densuke. Dabei kommen die beiden auch dem "Illegalen" näher als erhofft. Ebenfalls auf der Spur des Illegalen ist Yuko Amasawa, genannt Isako, die dabei eine große Cybermacht zu besitzen scheint und mit Hilfe von Mojos, kleinen kugelartigen und wusligen Pets, die Umgebung ausspioniert. Sie hat auch ein Auge auf den Daikoku City Hacker-Club geworfen, der von Daichi, einem von Fumies Erzfeinden, angeführt wird und der immer auf der Suche nach geldeinbringenden Metabugs ist. Yuko Okonogis Großmutter Megabaa (Megane = Brillen, Obaa = Oma) wiederum betreibt einen illegalen Laden, in dem sie inoffizielle, selbsthergestellte Cybertools verkauft. Sie ist auch die Anführerin der Coil Detektei, der auch Haraken (aka Ken'ichi Harakawa) angehört. Dieser wiederum stellt seit dem Tod seiner Freundin Kanna, die seiner Ansicht nach durch die Fehlfunktion eines Navigationssystems ums Leben kam, Nachforschungen an, um den Mord an Kanna zu beweisen, die mit ihm ebenfalls das Phänomen der Illegalen erforscht hatte. Dennou Coil ist eine äußerst originelle Mixtur aus Virtual Reality-Krimi, Science Fiction, Drama und Comedy aus dem Hause MADHOUSE, das bereits Death Note und Mushishi produziert hat. Treffend ist auch die Umschreibung "Studio Ghibli trifft Serial Experiment Lain".