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Trama Paranoia Agent: Tsukiko Sagi, la famosa disegnatrice che ha partorito la mascotte Maromi, viene aggredita con una mazza da baseball da uno squilibrato di cui la ragazza ricorda solo essere un bambino su pattini a rotelle color oro e con indosso un cappellino da baseball. Le ricerche partono immediatamente anche se il sospetto che la ragazza abbia mentito sull’accaduto viene subito avanzato da uno degli investigatori. Giorni dopo altre persone vengono però colpite da questo maniaco, che viene soprannominato Shonen Bat, ed il misterioso ragazzino diventa una sorta di leggenda metropolitana.
Dopo diversi casi i due detective riescono a mettere le mani su un sospetto che combacia con la descrizione fatta dalla prima vittima. Il ragazzo confessa di aver perpetrato la riprovevole azione perché crede di essere il guerriero protagonista di un videogioco. Dopo vari interrogatori, però, i poliziotti scoprono che in realtà il ragazzo non è altro che un emulo e che il vero Shonen Bat è ancora a piede libero. Ma il confronto con il giovane mitomane porta la narrazione su un piano surreale, con Maniwa che intraprende un percorso d’indagine a metà tra il videogioco ed una trama fantasy. Da questo punto in poi la storia continua a snodarsi su più piani di realtà, fondendo in un’unica dimensione elementi onirici, psicanalitici e sociologici, per poi sfociare in un epilogo catastrofico alla Ōtomo.
Nel finale si scopre che Tsukiko, la prima vittima di Shonen Bat, non è mai stata aggredita, ma si è inferta da sola il colpo per guadagnare tempo su una scadenza di lavoro e suscitare la solidarietà dei propri colleghi. Mentre l’aggressione si trasforma in una leggenda metropolitana, la psiche traumatizzata della ragazza dà però origine ad un Maromi parlante ed a quello che tutti chiamano Shonen Bat.
Tutto questo perché Tsukiko da bambina aveva un cucciolo di cane in carne ed ossa, chiamato appunto Maromi, che per via di una sua disattenzione morì investito da una macchina. La ragazza, per paura che il severo padre la sgridasse, si inventò un’aggressione da parte di un ragazzo sui pattini e con una mazza da baseball. Il padre, che in realtà intuiva la verità, finì con l’assecondare la figlia che, in questo modo, trasformò lentamente la sua bugia nell’unica verità accettabile.
Dopo l’aggressione simulata il pupazzo Maromi, animato dalla sua fantasia, protegge la ragazza dai suoi brutti ricordi, ma così non fa altro che consentirle di continuare a non affrontare la realtà della propria vita, aiutandola sempre a scappare davanti alle difficoltà. In questa fuga dalla realtà Tsukiko tuttavia non è sola, perché anche il detective Ikari, lasciato il lavoro come poliziotto, si perde ora tra mille altri lavori pur di rientrare il più tardi possibile a casa, dove lo aspetta la devota moglie malata di cuore, con cui condivide il triste destino di chi non può avere figli. Alla fine Tsukiko ed Ikari si ritroveranno, padre e figlia immaginari, in una Tokyo bidimensionale, che rappresenta il passato sereno di Ikari, dove entrambi cercano riparo dalle loro paure, dal loro senso di colpa e dall’infelicità che li struggono e che, nel mondo reale, hanno assunto le fattezze di Shonen Bat.
Questa è infatti un’entità malvagia partorita dalla mente di Tsukiko, che si nutre della paura e della paranoia della società. Creduta all’inizio un fenomeno di delinquenza giovanile, la bugia di Tsukiko è divenuta un essere reale che attacca in particolare la gente stressata e che in qualche modo chiede di essere “salvata”. Ma in questo senso, Shonen Bat non è altro che una soluzione apparente ai loro problemi, così come lo è Maromi per Tsukiko e ormai per tutta Tokyo. Maromi fornisce infatti un falso senso di benessere e calore a chi lo possiede, e quando le numerose icone del pupazzo scompaiono contemporaneamente dalla città, questa precipita nella psicosi e nella paranoia collettive. Ciò scatena il ritorno di Shonen Bat in una forma immensamente più grande, somigliante ad un fluido oscuro che invade e distrugge tutto quello che incontra.
Quando Shonen Bat si abbatte sulla città gli unici che riescono a fronteggiarlo sono la moglie di Ikari, che malgrado la disperazione gli resiste grazie all’amore per il marito, ed il detective Maniwa, divenuto ormai una sorta di cavaliere errante votato alla lotta contro questo mostro. Tsukiko ed Ikari, isolati nel tranquillo passato bidimensionale di questi, vengono quindi raggiunti prima da sua moglie, che in punto di morte esprime il desiderio di vederlo un’ultima volta ovunque si trovi, e poi da Maniwa il quale, compreso che Shonen Bat e Maromi sono le due facce del suo male, costringe Tsukiko a ricordare la verità sulla fine del vero Maromi. Finalmente consapevole, Tsukiko riesce a far pace con sé stessa ed a perdonarsi per non essere stata in grado di proteggerlo. Quello che all’inizio era noto come Shonen Bat così scompare insieme al Maromi parlante, lasciando dietro di sé uno scenario di guerra. Due anni dopo, in una Tokyo completamente ricostruita, si vede Tsukiko immersa nella sua nuova vita, ed una carrellata sugli abitanti della città mostra che ormai più nessuno confeziona scuse ed alibi durante i confronti, ma ognuno dice ciò che pensa realmente, sfuggendo forse così allo stress ed al senso di colpa. Ma è una situazione chiaramente temporanea, poiché la tendenza dell’uomo a rifuggire dalla realtà e dal dolore è sempre dietro l’angolo e può, in qualsiasi momento, partorire nuovi strumenti di fuga quali erano Maromi e Shonen Bat. Questa ciclica ripetizione degli eventi, denominata eterno ritorno, trova, sul finire dell’anime, immediata concretizzazione nel passaggio di consegne tra l’anziano saggio che aveva aiutato Maniwa e Maniwa stesso, diventato il nuovo anziano due anni dopo il termine del precedente ciclo.