放送直前の2012年3月30日には新宿バルト9でイベント「SEIYA NIGHT-聖闘士星矢Ωワールドプレミア-」を開催し、第1話の先行上映や主要スタッフ、キャスト、関係アーティストを招いてのトークショーなどを行った。世界同時中継としてフランス、ブラジル、台湾とも連携させた大規模なものとなり、日本での開演は深夜にもかかわらず盛況となった[15]。
あらすじ
第1話 - 第27話
この世に邪悪がはびこる時、必ずや現れるという希望の闘士、聖闘士（セイント）。彼らは常に地上の平和と女神アテナのために戦っていた。中でも天馬座の聖闘士・星矢とその仲間達は最下級の青銅聖闘士ながら、格上の白銀聖闘士や黄金聖闘士を凌ぐ実力を秘め、数々の戦いを経て海皇ポセイドンや冥王ハーデスなどの神々を打ち倒すまでに成長し、その活躍はやがて伝説となっていった。彼らの活躍により、地上につかの間の平和が訪れていたある日。光牙という名の幼子を育てていた現代の女神アテナこと城戸沙織の目前に、かつて星矢によって封印された神マルスが襲来。間一髪のところで現れた星矢とマルスとの闘いが繰り広げられる。時は流れ[16]、13歳になった光牙はマルスとの戦いで行方不明になった星矢によって救われた命である旨を説かれながら、人里離れた孤島でシャイナに厳しい修行をつけられていた。聖闘士になる理由も解らないまま強いられる運命に反発していた光牙だったが、封印されていたマルスが再び現れると、その戦闘の中、アテナ＝沙織もまた闇に飲まれ消えてしまう。自己の無力さを知った光牙は、沙織の生存を信じ旅に出る。旅先で聖闘士養成学校・パライストラの存在を知りそこで修行を開始するが、パライストラにもマルスの手が伸び、偽のアテナを擁立して聖闘士を支配しようとする。黄金聖闘士の裏切りもあって多くの仲間が捕らえられてしまう中、光牙はパライストラの生徒・蒼摩、ユナ、龍峰、栄斗と共に脱出しマルスを追う。マルスの元から偽のアテナことアリアを救出した光牙達は、マルスの野望を阻止すべく小宇宙にまつわる遺跡を回る旅に出て、彼らを追うマルスの手下・火星士（マーシアン）やマルスに寝返った白銀聖闘士らと戦う。
十二宮編（第28話 - 第51話）[17]
6つ全ての遺跡のコアを破壊した光牙たち青銅聖闘士だったが、立ち塞がったマルスはアリアを殺害し、遺跡のコアより生み出されたアリアの黄金の杖を奪う。そして、その力を使って聖域の十二宮を作り変え、地球から火星へと小宇宙を吸い上げ始める。このままでは後12時間で小宇宙を失った地球は滅び、火星がマルスの息子・エデンが支配する新たな楽園となってしまう。それを阻止すべくマルス打倒を目指す光牙たちの前に立ち塞がるのは、十二宮を守護する黄金聖闘士達。幼馴染であるアリアを殺されたことで父から離反したエデンも光牙側に加わり、究極の小宇宙・セブンセンシズを持つ黄金聖闘士との死闘が始まる。
新生聖衣（ニュークロス）編（第52話 - 第77話）
マルスとその背後にいた闇の神アプスとの戦いを終えた光牙は、沙織と暮らした故郷に戻り傷を癒していた。その頃、星矢は沙織の命令で転生した女神パラスの殺害に向かっていた。躊躇う星矢を嘲笑うかのように一級パラサイト・タイタンが出現しパラスを連れ去る。一方、光牙の前に鋼鉄聖闘士の少年・昴が現れる。直後にパラサイトの襲撃を受けた光牙はペガサス聖衣を復活させ撃退する。パラサイトの襲撃により地上に暮らす人々は「時間」を奪われてゆく。沙織はパラスとの全面対決を決意し、全聖闘士を招集。だが、マルスとの戦いで多くの人材が喪われたことで劣勢に立たされる。生き残った人々を避難民として受け入れていたパライストラもパラサイトの軍勢に包囲されていた。天秤座の玄武はパライストラを守るため出陣し、光牙らを守り壮絶な戦死を遂げる。パライストラに降臨した沙織はパラスの本拠地である「パラスベルダ」を探り当てる。聖闘士たちはパラスベルダを目指して侵攻を開始。その戦いの最中、昴は謎の小宇宙を発揮してパラサイトを撃退する。昴に危険を感じ取ったエデンは監視のため光牙らに合流。紫龍、氷河、瞬も次々と参戦し、昴も小馬座の青銅聖衣を受け継いだ。前線基地で牡羊座の貴鬼との合流を果たした光牙たちは損傷した聖衣の修復を受ける。光牙たちは再び襲来したミラーに苦戦していたがそこにカノン島で傷を癒やしていた一輝が参戦。圧倒的な実力でミラーを撃退する。光牙たち6人の青銅聖闘士は沙織と黄金聖闘士たちのため膨大なパラサイト兵に守られたパラスベルダへの道を切り拓くべく奮闘。5人の献身的な働きで「時の門」に到達した光牙だったが時間を奪う門の力により石となってしまう。だが、そこに沙織に率いられた黄金聖闘士と氷河、紫龍、一輝、瞬が到着。龍峰から玄武の遺品である天秤座の聖衣を受け取った紫龍は新たな黄金聖闘士となる。沙織の呼びかけで力を結集した聖闘士たちは光牙に小宇宙を集めて時の門を破壊。戦いの舞台はパラスの城へと移る。
Ω覚醒編（第78話 -第97話 ）
二級パラサイトエウロパの策略により、4組に分かれ出口のないパラス城内をさまようアテナの聖闘士たちに、次々と襲い来る一級パラサイト四天王をはじめとするパラサイトの刺客。激しい戦いの中でセブンセンシズを越える新たな小宇宙の境地、Ω（オメガ）に目覚めていく光牙たち6人の青銅聖闘士。一方パラスの元にたどり着いたアテナと星矢・ハービンジャーに立ちふさがる最後の四天王タイタン。タイタンの振るう聖剣をハービンジャーが決死の奮闘により破壊するが、ハービンジャーは深いダメージを受け戦闘不能に陥ってしまう。変わってタイタンと対峙する星矢、そしてパラスと直接対決するアテナ。互いの死闘の中でパラスとタイタンの間に愛の絆が生まれていることに気付いたアテナは、これ以上戦うことの無意味さを説き、パラスと和解を果たす。しかしその時、この戦いを背後で操り四天王の真の黒幕であった時の神サターンが正体を現すのだった。
本作の追加設定「聖闘士星矢#作中用語」も参照

新設定として小宇宙（コスモ）に属性の概念が追加されたことと、聖衣（クロス）の作りが変更されたことが挙げられる[18]。
属性
火・風・雷・土・水の自然属性と、光と闇の二極属性、合計7つの要素で構成される。自然属性の属性は、風>雷>土>水>火>風の順に相性による有利不利が存在するが、小宇宙の大きさが相手を大きく上回っていれば不利を覆すことも可能。ただし新生聖衣編以降は言及されなくなった。
聖衣石（クロストーン）
原作では聖衣は星座のオブジェ型で、大型の箱・聖衣箱（クロスボックス）に入って持ち運びされていたが、本作では宇宙からの力と融合して聖衣石と呼ばれるアクセサリー状になり、ここから小宇宙に反応して守護星座の力を受け取り具現化された聖衣を装着する。この変化により、聖闘士は小宇宙の属性を持ち、その力を行使する能力を新たに得た。本作の聖衣は金属的であった原作に比べ、関節部も1枚の聖衣で覆っているなどボディスーツ状のデザインとなっている。これについてキャラクターデザインの馬越は、プロデューサーの若林から「未知の素材で作られたしなやかな金属」との指定を受けたと語っている[19]。聖衣石の状態では普段はオブジェは映らないが天秤座、水瓶座、蠍座はオブジェ姿が披露されている。「新生聖衣編」以降、光牙達や瞬や氷河の青銅聖衣は新たな力に目覚めた新生青銅聖衣となり、各星座をモチーフとしたオブジェ形態と聖衣箱に回帰した（他の聖衣の中には引き続き聖衣石の物もある）。通常セブンセンシズ覚醒にしている聖闘士でないと進化がないようだが、小馬座のクロストーンは装着者の昴がセブンセンシズに覚醒していないのに自らの血で新生化させた事で貴鬼やエデンは昴の正体を不審に思う一因になった。黄金聖衣だと天秤座は玄武の死後に紫龍に装着者が戻った際に形状や色合いが変化しており、星矢はタイタンとの戦いを前に小宇宙を燃やし黄金聖衣を新生化させている。
Ω（オメガ）
「新生聖衣編」から登場した設定。究極の小宇宙であるセブンセンシズを超えた境地。Ωは人間なら誰でもほんの少し持っている力で、互いを思いやる心が生み出す奇跡とされ、宇宙を創りだす力・大宇宙（マクロコスモ）を作りだし片鱗に到達するだけで聖衣に新たな力を与え、完全に覚醒すると「Ω聖衣」に進化する[20]。なお、原作ではセブンセンシズを超える小宇宙はエイトセンシズであるがΩは別軸に存在する力と考えられている[20]。
登場人物・声の出演

※東映公式サイトに列挙されているものを記載。その他のキャストについては「聖闘士星矢Ω登場人物一覧」を参照

光牙：緑川光

蒼摩：小西克幸

ユナ：雪野五月

龍峰：柿原徹也

栄斗：鈴木達央

エデン：諏訪部順一

昴：水島裕

城戸沙織：中川翔子

星矢：古谷徹[注釈 2]（特別出演）

主題歌・挿入歌
主題歌

本作はエンディング枠がないため、主題歌はすべてオープニングテーマとして使われた。
「ペガサス幻想 ver.Ω」（第1話 - 第27話）
作詞 - 竜真知子 / 作曲 - 松澤浩明、山田信夫 / 編曲 - 平松建治 with 河野陽吾 / Sound Produce - MAKE-UP歌 - MAKE-UP feat.中川翔子 / レーベル - 日本コロムビア
「新星Ω神話（ネクストジェネレーション）」（第28話 - 第51話）
作詞 - 岩田秀聡 / 作曲・編曲 - 加藤裕介歌 - √5 / レーベル - avex trax
「未来聖闘士Ω?セイントエボリューション?」（第52話 - 第77話）
作詞 - 森由里子 / 作曲 - 岩崎貴文 / 編曲 - 大石憲一郎・流田Project歌 - 流田Project / レーベル - 日本コロムビア
「閃光ストリングス」（第78話 -第97話 ）
作詞 - SAKI / 作曲 - YUI & Akio Shimizu / 編曲 - Akio Shimizu & Cyntia歌 - Cyntia / レーベル - ビクターエンタテインメント
挿入歌
「Undercover of the Moonlight」（第56話）
作詞 - Uyu （ACRYLICSTAB） / 作曲 - 阿部隆大（ACRYLICSTAB） / 編曲 - 宮崎誠歌 - 栄斗（声:鈴木達央）