本作是是首款登陆Xbox360的“机战”系列作品。《超级机器人大战XO》是2004年12月发售的NGC游戏《超级机器人大战GC》的移植作品，本作在原作的基础上大幅提高了游戏的画面表现，并追加诸多新要素。
自从人类把生活圈扩大到宇宙以来，已经过了半个世纪的岁月。在地球联邦政府的指挥下，宇宙移民正在高速的进行，大量的殖民星被制造出来。不久，出现了有企图侵略地球的异星人传言，联邦政府为了对抗异星人的威胁在各地设置了防御队。但是，军方的高层中并没有多少认真的考虑防御异星人。军方的目的，是把异星人的威胁做为进行扩充军备的借口，对不满联邦政府的人施加更大的压力。这样的情况下，利用军队防御体制不完善的漏洞，数个组织终于开始了侵略。
操纵巨大的机械兽，企图征服世界的地狱博士的机械兽军团、打算取代人类成为地上世界支配者，从地底来的侵略者恐龙帝国、以及从5次元世界来的邪恶帝国。面对他们的超科技，地球联邦军陷入了苦战。对这个形势感到忧虑的防卫队远东支部，向光子力研究所、早乙女研究所、地球防御组、竹尾综合会社、最上重工等民间志愿组织寻求帮助，加强了组织的防卫，勉强地抵抗着侵略者的袭击。
可是，这一部分人的奋战也是徒劳的，联邦政府只是加强地球的防卫，却对害怕得胆战心惊的宇宙移民置之不顾。SIDE3的
吉翁公国和在月球的统一帝国基加诺斯联合起来，向地球联邦政府发动了独立战争。吉翁基加诺斯联合所宣扬的选民思想，获得了大量不满联邦政府的宇宙移民的支持，战斗变得更加激烈。几个月后...伤亡惨重的人类已经作战得筋疲力尽。但是，企图侵略地球的各个势力却在静观局势发展，虎视眈眈地寻求侵略的机会。而且，现在地球正面临着更加可怕的危机...
本作继承了历代《机战》中都有的多种快捷操作。在游戏中同时按住LT+RT+START+BACK，即可快速回到标题画面。而在按了这4个键后如果按住BACK键不放，则可以自动读取战斗中断存档。这是每个人都应该掌握的技巧。此外在剧情中同时按RT+A，可以加快字幕速度；同时按RT+START，可以直接跳过剧情。
支线章节是本作的一大特色。本作没有分支路线和隐藏关的设定，在过关后需要选择下一个进行的章节，没有打过的章节会用NEW表示。支线章节的剧情与主线有关，但可以跳过不打。只是支线章节往往关系到隐藏要素，因此不可随便跳过。每一个支线章节都允许玩家反复挑战，由此可以赚取金钱或是锻炼技能ACE。不过本作中敌人的等级与我方的平均等级有关，所以如果想练级的话大家还是省点力气吧。
这次通关之后开始下一轮游戏时继承的东西可真不少，计有：机体和武器的改造、剩余资金、捕获机体、机师的击坠数、技能ACE以及彼此之间的信赖度。机体和武器全改造时的奖励在下一轮游戏开始后可以重新选择，非常方便。比较特殊的是主人公，主人公的击坠数和技能王牌就算是跳系也能继承的，但机体的改造则只能继承同系的，与性别完全无关。
捕获机体的继承是相当有意思的设定，这样一来下一周目游戏开始时一出来阿姆罗之流就有アプサラスⅢ、ザクⅢ这样的后期机体，用来对付一年战争时期的敌人简直就是牛刀杀鸡。如果你到通关前发现自己居然没有捕获什么强力机体的话也不用担心，因为第58话的支线章节“恐怖的复制军团”中的敌人包括了大部分能够被捕获并运用的机体。
利用这一设定可以衍生出继承芯片的小技巧。本作虽然不能继承芯片，但是利用捕获机体可以在商店中解体为芯片的设定，只要大量捕获机体留到下一轮游戏中，等游戏开始后再进行解体工作，就等于是变相实现了继承芯片的目标。