源内苍（日笠阳子 配音）是一名十分平凡的高中一年级女生，一天，她收到了一个神秘的包裹，拆开了包装，出现在小苍面前的，是名叫“Frame Arms Girl”的小型机器人轰雷（佳穗成美 配音）。轰雷可不是一般的机器人，她拥有着自我的意识，能够通过学习人类的感情与战斗方式而不断地自我进化，就这样，小苍和轰雷的同居生活拉开了帷幕。 除了轰雷外，还存在着别的机甲少女。个性十分傲娇的短剑（绫濑有 配音）、性格单纯但拥有着广袤的知识的闪燕（长江里加 配音）、行事大大咧咧但充满了正义感的迅雷（桦山南 配音）、没有一丝感情沉默寡言的骨姬（山村响 配音），在轰雷之后，她们接二连三的出现在了小苍的身边。

长久以来，名为“荒魂”的魔物威胁着人类世界的安全，然而一物降一物，对抗荒魂，则要请出随身携带着御刀的巫女们。她们隶属于日本特别祭祀机动队，是一群特殊的存在。平日里，巫女们在学校中过着平凡的校园生活，然而，一旦荒魂开始肆虐，女孩子们就必须拔出御刀，开始充满了危险和死亡的战斗。 个性开朗活泼的卫藤可奈美（本渡枫 配音）、拥有着和年龄不相称的沉稳气质的十条姬和（大西沙织 配音）、温柔高贵的千金大小姐柳濑舞衣（和气杏未 配音）、沉默寡言内向不羁的糸见沙耶香（木野日菜 配音），在和荒魂战斗的同时，这些少女们还在争夺着专门为她们设置的竞技比赛的冠军宝座。

女子高校生あおの元に届けられた謎の小包には、フレームアームズ・ガールと呼ばれる完全自律型の小型ロボット「轟雷」が入っていた。轟雷は人工自我、AS（アーティフィシャル・セルフ）を搭載した最新型の試作機。バトルデータを収集し、感情を学んでいく轟雷とあおの、奇妙で楽しい日常が始まる！