이 작품은 『유희왕 듀얼몬스터즈』, 『유희왕 듀얼몬스터즈 GX』, 『유희왕 5D's』에 이은 TV 도쿄 계열 유희왕 시리즈의 4번째 작품이다. 지금까지 유희왕 시리즈의 2번째 작품이나 3번째 작품이 초대 작품의 배경을 일정 비율로 계승했다면 이 작품은 전혀 다른 배경과 대결 양상으로 새로운 분위기를 연출하고 있다. 이 작품의 제목인 『유희왕 ZEXAL』은 열정을 의미하는 ZEAL의 정중앙에 힘이 배로 늘어나는 것을 상징하는 X를 삽입하여 만들어졌다. 전작의 주인공들이 초반부터 듀얼의 달인으로 등장했던 반면 이 작품의 주인공은 처음에 여러 가지 실수를 저지르다가 나중에서야 중급자로서 성장하게 된다. 또한 전작에 [크리보] 캐릭터가 등장하여 코믹한 분위기를 유지시켰던 반면 이 작품에서는 아스트랄이 [크리보] 캐릭터의 역할을 대신하게 된다.
가까운 미래, 하트랜드라 불리는 도시에 사는 유마(츠쿠모 유마)는 허당 듀얼리스트이지만 듀얼 챔피언의 꿈을 이루기 위해 노력하던 어느 날, 친구인 태호의 덱을 빼았고 부모님이 물려주신 황의 열쇠를 망가뜨린,학교에서 깡패로 물든 샤크(카미시로 료가)와의 듀얼 도중 '엑시즈'라는 카드를 접하게 되고 아스트랄이라는 불가사의한 존재의 도움으로 듀얼에서 이기게 된다. 그리고 아스트랄은 잃어버린 기억의 조각인 넘버즈를 찾으러 왔으며, 유마가 지닌 황의 열쇠로부터 떨어질 수 없기에 세계 각지에 흩어져 있는 넘버즈를 찾아야 함을 알게 된 유우마는 넘버즈 수집에 딱히 관심이 없음에도 자신이 넘버즈를 가지고 있기 때문에 넘버즈에 관해 얽히게 되어 아스트랄과 함께 넘버즈를 되찾으려 노력하게 된다. 도중 넘버즈 헌터 텐죠우 카이토와 만나 듀얼을 펼치지만 끝을 내지 못하고, 제알의 힘을 얻게 된다.
전 편인 5D`s가 싱크로 소환이 주 소환방법이었다면, 이번 시리즈는 엑시즈 소환이 주 소환 방법이다. 엑시즈 소환이란, 레벨이 같은 몬스터를 2마리 이상 사용하여 엑스트라 덱에서 엑시즈 몬스터를 소환하는 방법이다. 이 소환법의 특징은, 융합이나 싱크로 소환과는 다르게, 소환할 때 사용한 몬스터들이 묘지로 가지 않고 엑시즈 몬스터
아래에 겹쳐져 엑시즈 소재(이하, 오버레이 유닛이라고도 함)가 되어 엑시즈 몬스터를 서포트 한다는 것이다. 엑시즈 몬스터의 효과를 발동할 때는 대부분이 엑시즈 소재를 제거하는 것으로 효과를 발동한다.
유희왕 ZExAL의 주인공. 중학교 1학년. 어떤 일에도 포기하지 않고 전력으로 도전해 나가는 「かつとビング」의 정신을 가지는, 정의감 흘러넘치는 성격. 다만 터무니 없는 일만 하므로 실패만이다. 미래의 듀얼 챔피언을 목표로 하고 있지만, 듀얼의 솜씨는 아직도 미숙하다.
전사족과 마법사족을 중심으로 구성된 덱은 부친으로부터 양도한 것. 원래 몬스터 엑시즈는 덱에 포함되지 않았지만, 최초로 입수한 [No. 39 희망황 호프(유토피아)]를 애용하는 것 외, 싸움 도중 손에 넣은 [No. 17 리바이스 드래곤] 등의 몬스터 엑시즈를 비장의 카드로 한다.
행방불명이 되어 있는 모험가의 부모님의 유품인 「황의 열쇠」를 팬던트로 해, 「캇토 빙」의 근원으로서 소중히 하고 있다. 누나의 아케사토에 듀얼이 금지되고 있었지만, 야미카와와의 듀얼로 자신이 듀얼하는 의미를 찾아낸 것으로 해금되었다.
샤크와의 듀얼중, 환각 속에서 수수께끼의 문을 연 것으로 아스트랄과 만나, 함께 행동을 하게 된다. 처음은 듀얼에 말 참견되는 것을 싫어했지만, 점차 친구로 인정하게 되고 힘을 합하게 되었다. (참고로 성우는 일본과 한국 둘 다 청년의 목소리를 낸다.)146화에서 밝혀진 유마의 최종 정체는 바로 아스트랄의 분신이다.
이차원 「아스트랄 세계」로부터 온 수수께끼의 사람 모양의 생명체. 연한 하늘색에 노란색의 눈을 가지고 있다. 무표정하고 감정을 별로 겉을 내지 않는 성격이지만, 감정 하나하나도 있다. [No.39 희망황 호프(유토피아)] 가 흩어지지 않아서 자신의 이름과 듀얼리스트로서의 지식은 기억하고 있지만, 기억의 조각으로 설정된 「넘버즈」가 흩어져, 대부분의 기억을 잃었다. 이 때문에, 사물을 듀얼에 적용시켜 표현하는 일이 있다. 인간 사회를 별로 이해하지 못하고, 모두 행동하는 유마의 날들을 매일 관찰하고, 많은 일을 배우려 하고 있다. 호기심은 그만큼 강하지 않지만, 흥미를 가지면 적극적으로 관련되려고 하기도 한다. 자연적으로 태어난 생명체는 아니고 인공적으로 만들어진 생명이라는 정보를 [No.83 갤럭시 퀸]으로부터 얻었다,
그의 존재는 유마 밖에 인식할 수 없지만, 진과의 듀얼로 유마와 신뢰심이 서로 통하게 되어, 일시적으로 다른 인물에게도 보이게 되었다.
유마가 사용하는 넘버즈는 아스트랄이 소유하고 있어, 아스트랄이 열쇠 중에 틀어 박히고 있는 동안은 넘버즈는 사용할 수 없다. 또, 넘버즈가 걸린 듀얼에서는 유마의 LP가 아스트랄의 존재 유지가 되어 있어, 패배는 그의 소멸로 이어지고 있다.
자신을 능가하는 카이토의 실력에 한때는 공포를 느끼고 있었지만, 끝까지 희망을 버리지 않는 유우마와의 듀얼을 통해서 「동료가 있으면 희망을 믿을 수가 있다」라고 하는 생각에 이르러, 공포를 극복했다. 듀얼할때는 유마의 덱을 쓴다.본의 아니게 [No.96 블랙 미스트]에게 육신을 조종당한 적이 있었다.
전생에는 사악한 왕. 낫슈와 메라그를 죽인 악역이자 닥터 페이커 와 트론을 조종한 흑막.인간 모습으로 위장해서 유마에게 접근한다. 기라그와 아리트를 기절시킨 장본인이다. 3번이나 패배당하자 그는 유마와 아스트랄에게 복수하기 위해서 돈 사우전드의 힘을 빌려서 유적의 넘버즈를 모으기 시작한다.
월드 듀얼 챔피언을 꿈꾸지만 실력이 부족한 유마는 어느 날, 같은 학교에 다니는 카미시로 료가(샤크)가 동급생을 괴롭히는 것을 보고 대결을 신청하게 된다. 듀얼을 통해 승부를 보던 중, 아스트랄의 도움을 받아 프로 듀얼리스트 실력을 가진 샤크를 이기게 된다. 그런데 듀얼 도중 나타난 아스트랄은 듀얼이 끝났음에도 유마를 떠나지 않고 곁에 머무르게 된다. 그리하여 아스트랄과 함께 생활하게 된 유마 앞에 넘버즈 카드에 의해 조종당하는 인물들이 차례차례로 나타나 듀얼을 하게 된다. 그러면서 유마는 듀얼에 이기며 자신의 지원군을 늘리게 되고 샤크의 아픈 과거를 알게 된다.
게다가 넘버즈 헌터를 자처하는 의문의 청년이 나타나 듀얼을 하면서 자신의 한계를 깨닫게 된다. 그렇지만 듀얼 암자에 있는 로쿠쥬로(무달) 사범을 스승으로 삼게 되고 처음으로 카오스 넘버즈 카드인 CNo.39 희망황 호프 레이(유토피아 레이)를 카이토(카이트) 앞에서 사용하게 된다. 그로 인해 카이트의 사주를 받은 오비탈이 강탈한 황의 열쇠와 황의 열쇠를 지키려다가 카이트에게 포획당한 샤크의 영혼을 돌려받고자 카이트와 겨루려는 유마. 과연 유마와 카이트의 미래는? 그리고 Mr. 하트랜드 일행이 WDC(월드 듀얼 카니발)을 개최하려는 진짜 목적은 무엇인가?
월드 듀얼 카니발 대회가 드디어 개최되고 친구들의 도움으로 본선에 진출할 수 있게 된 유마는 여러 듀얼리스트와 겨루며 실력이 성장하게 된다. 그러면서 카오스 넘버즈 카드인 [No.39 유토피아 레이]를 사용하는데 익숙해지게 된다. 또한 반칙으로 결선에 들어가려다 들킨 '토쿠노스케(사기준)'가 듀얼계에서 영구제명되는 것을 막고자 '드로와'와 고슈와의 듀얼 대결을 펼친 유마는 이윽고 갑작스럽게 '하루토(하루트)'와 만나게 되고 하루트를 데려가려는 '포'와 '쓰리'를 막으려는 '카이트'와의 태그 듀얼을 통해 '트론' 일행과 'Dr. 페이커' 일행에게서 동생을 지키려는 카이트의 마음과 형을 지키려는 하루트의 마음을 엿보게 된다.
하지만 그 후 아스트랄의 존재를 눈치채게 된 트론의 요구로 말미암아 '오리지널 넘버즈'로 무장한 '쓰리'와 듀얼을 하게 된 유마는 트론의 계략에 의해 의욕 상실 상태로 변하고 아스트랄은 자신을 희생해 상황을 역전시키고자 한다. 다행히 아스트랄의 희생으로 의욕이 살아난 유마는 오리지널 넘버즈에게서 모두를 구하고자 쓰리의 도움을 받아 아스트랄을 살리고 승리하게 되지만 그 여파로 인해 쓰리가 의식을 잃게 되는데...
월드 듀얼 카니발 본선 통과로 들뜬 유마 앞에 갑자기 악마 듀얼리스트 트론이 나타나 도전장을 내민다. 한편 다음날 본선에서 모인 23인의 듀얼리스트들 중에서 코스터 상의 듀얼에서 이긴 8인의 듀얼리스트들은 각각 4개의 듀얼 필드에서 차례로 듀얼을 하게 된다. 이윽고 정글 필드에서 트론은 드로와를, 우주 필드에서 카이토가 브이를, 화산 필드에서 샤크가 포를, 황야 필드에서 유마가 고슈를 이겨 트론과 카이토, 샤크와 유마의 대결이 이루어진다. 결선을 거치면서 유마는 자신의 진짜 적이 트론이 아니라 'Dr. 페이커'라는 것을 알게 된다.
이윽고 샤크는 유마 앞에서 포를 패배로 이끈 카드에 홀렸다가 유마의 도움으로 친구를 위해 승리를 양보한다. 한편 카이토는 트론이 가면을 벗고 하루토의 얼굴로 도발하자 유마의 도움을 받아 트론의 얼굴에서 하루토의 얼굴을 지우고 반격을 시도하지만 트론이 내놓은 넘버즈의 일격으로 패배하게 된다. 이후 트론은 새로운 듀얼 필드인 스피어 필드 안에서 유마와 대결하면서 Dr. 페이커에 대한 적대감을 드러내지만 유마는 트론의 에이스 넘버즈를 격파하고서 샤크와 카이토의 도움을 받아 Dr. 페이커와 마지막 결전을 치르게 된다. 결전이 끝나고 대회는 끝나게 되지만 유마, 료가, 카이토의 결승전은 아직 끝나지 않았다. 결국 료가가 관전하는 가운데 유마와 카이토의 결승전이 시작된다.