En 2071, l'équipage du vaisseau spatial Bebop voyage dans le système solaire à la recherche de primes. Dans l'argot de l'époque, ces chasseurs de primes sont appelés « cowboys ». La plupart des épisodes tournent autour d'une prime ; cependant, le centre de l'histoire concerne le passé de chaque personnage et d'anciens évènements plus généraux, qui se connectent au fur et à mesure que la série progresse.

La première histoire est celle de Spike Spiegel, ancien membre d'une organisation criminelle, les Dragons Rouges, qui est hanté par un triangle amoureux qu'il a connu avec son ancien coéquipier aux Dragons Rouges, Vicious, et une mystérieuse femme nommée Julia. La seconde histoire tourne autour de Faye Valentine, une joueuse endettée et amnésique réveillée d'un sommeil cryogénique, dont le passé est un mystère. Les autres personnages ont aussi un passé à explorer : Jet Black, un ancien officier de l'agence de police interplanétaire ISSP et propriétaire du vaisseau (le Bebop), Edward, une jeune hacker surdouée et hyperactive, et Ein, un « chien data » échappé d'un laboratoire, possédant une intelligence supérieure mais se comportant la plupart du temps comme un chien normal.

En l'an 2021, une série de portails de forme circulaire permettant des voyages en hyperespace fut construite à travers le système solaire et rendit possible le voyage interplanétaire. Malheureusement, les savants qui l'avaient élaboré ignoraient que le réseau de ces "Gates" était dangereusement instable. L'instabilité s'aggrava jusqu'à ce qu'une Gate près de la Terre explose, libérant une vague d'énergie très puissante qui fendit la Lune.

Dans un désastre connu sous le nom de "l'incident de la Gate", des débris de la Lune dévastée s'écrasèrent sur la Terre, détruisant la plupart de sa surface. Ce fut une véritable catastrophe ; près de 4,7 milliards de personnes y perdirent la vie. Les débris n'ayant jamais cessé de pleuvoir, la plupart des Terriens restants vivent à présent sous terre.

Bien qu'un nombre considérable de personnes ait refusé de partir, ou n'en ait pas les moyens, une large majorité des Terriens a quitté la planète après l'incident de la Gate, et les humains se sont dispersés dans le système solaire, vivant dans des colonies sur Vénus, Mars, quelques astéroïdes habitables, les lunes de Saturne, les lunes galiléennes de Jupiter, et sur des stations spatiales. La population totale du système solaire en 2071 est de seulement 1,5 milliard d'habitants.

De nombreux cratères de Mars ont été transformés et aménagés en métropoles prospères destinées à une population aisée. Vénus fut colonisée grâce à l'oxygène fourni par des plantes à oxygène flottant dans l'atmosphère ; ce processus n'est cependant pas parfait car les spores de ces plantes provoquent, chez certaines personnes, une maladie appelée "mal de Vénus". Si elle n'est pas traitée, la maladie peut provoquer la cécité ou la mort, et le traitement approprié est excessivement coûteux. De nombreuses lunes de Jupiter, comme Callisto, Io et Ganymède, furent également colonisées avec plus ou moins de bonheur. Callisto est une lune morne, froide et inhospitalière (avec la ville de Blue Crow, exclusivement peuplée d'hommes), alors que la surface d'Io est un vaste désert volcanique à l'atmosphère toxique. Ganymède est, quant à elle, presque uniquement constituée d'eau et est connue pour son industrie de la pêche. Titan, la plus grande lune de Saturne, est un désert stérile où s'est déroulée une guerre dans les années 2060 (certains vétérans ont survécu à la Deuxième Guerre de Titan de 2068 tels que Vicious, Gren et Vincent Volaju).

Un Pénitencier du Système Solaire a été établi à Pluton et certains astéroïdes ont été colonisés pour leurs minéraux et d'autres ressources naturelles. Suite à l'explosion de la Gate, le système de primes en vigueur lors de la Conquête de l'Ouest fut restauré par le gouvernement, devenu instable et fragile, afin de réduire le taux de criminalité toujours croissant. Les chasseurs de primes sont encouragés à capturer les criminels et à les remettre aux autorités (vivants et indemnes) en échange d'une récompense. Parallèlement, les organisations criminelles gagnent de l'influence dans le système solaire, grâce à la corruption, aux meurtres, à l'extorsion, au trafic de drogue (comme le Red Eye), au blanchiment d'argent et d'autres délits. Le Woolong est la monnaie universelle. Les billets sont devenus plus rares et l'utilisation de cartes monétaires et les transactions numériques sont devenues la norme.

Dans l'univers de Cowboy Bebop, la technologie a quelque peu évolué afin de s'adapter à la vie au XXIe siècle dans le système solaire. Avec la généralisation des voyages hyperspatiaux entre les Gates, de nombreux vaisseaux spatiaux furent créés. La plupart sont des vaisseaux monoplaces dont le cockpit peut s'éjecter et naviguer indépendamment. Le système de navigation de la plupart de ces vaisseaux est connu sous le nom de "Machine Operation Navigation of Outer Space" ou plus simplement "MONO".

Certaines innovations médicales, telles que les organes artificiels et les sommeils cryogéniques, ont été maîtrisées et sont à présent utilisées fréquemment. Le divertissement à domicile appelé "Alpha Catch" fournit une interface intelligente pour capturer ou projeter des images, des jeux et des films. Les jeux à réalité virtuelle sont devenus courants et l'ancien matériel, par exemple les vidéocassettes (VHS ou beta), est relégué au statut d'antiquité. Enfin, Internet, autrefois connu sous le nom de World Wide Web (WWW), a évolué pour devenir le Solar System Web (SSW).