Un puissant séisme a ravagé la partie continentale du Japon et a détruit en grande partie Tokyo, provoquant l'immersion des trois quarts de la ville dans l'océan. Dix ans plus tard, l'histoire se centre sur Ganta Igarashi, un étudiant apparemment ordinaire qui fréquente le collège de la préfecture de Nagano. Bien que survivant du tremblement de terre, Ganta n'a aucun souvenir de la tragédie et a vécu une vie ordinaire. Tout cela change quand un homme étrange couvert de sang et portant une armure pourpre flotte devant les fenêtres de la classe. Souriant comme un fou, l'Homme en Rouge massacre toute la classe de Ganta et, plutôt que de le tuer, lui incruste un éclat de cristal rouge dans la poitrine. Quelques jours après le massacre, Ganta est déclaré l'unique suspect et, après un procès rapide, est condamné à la prison à vie dans Deadman Wonderland, une prison doublée d'un parc d'attraction.

En arrivant à la prison, Ganta est équipé d'un collier spécial qui surveille sa position et ses signes vitaux. En raison de la nature odieuse des «crimes» de Ganta, il est condamné à subir la peine de mort de Deadman Wonderland. Un poison mortel est injecté en permanence dans son sang via le collier mais il peut être neutralisé par la consommation d'un antidote (sous forme d'un bonbon) tous les trois jours. Des bonbons supplémentaires sont acquis contre des Cast Points (monnaie utilisée dans la prison). Afin de gagner des Cast Points, un détenu doit travailler ou participer aux jeux mortels du parc et y survivre. Heureusement pour Ganta, il est aidé par une mystérieuse jeune fille nommée Shiro, qui le connaît apparemment et semble faire également partie des prisonniers.

Luttant pour sa survie comme détenu condamné à mort, Ganta devient de plus en plus obsédé par l'Homme en Rouge et essaie de le retrouver pour laver son nom et venger ses amis. Étrangement, Ganta commence à développer la capacité à manipuler son propre sang, au point d'en faire une arme. À son insu, Ganta est devenu un des Deadman, un groupe de prisonniers isolés possédant une Branch of sin (traduite littéralement par Branche du mal ou Branche du péché), un pouvoir qui les rend capables de contrôler leur sang. Sa capacité découverte, Ganta est forcé de participer à des duels à mort entre Deadmen, connus sous le nom de Carnival Corpse et diffusés à une clientèle exclusive moyennant un prix exorbitant. Dans sa lutte, il en vient parfois à se lier d'amitié avec ceux qu'il a vaincus dans l'arène et avec leur aide, Ganta continue sa quête pour découvrir l'identité de cet Homme en Rouge, la raison de sa transformation en Deadman et les sombres secrets de l'administration pénitentiaire.