故事以只有女性能使用的世界最強兵器「Infinite Stratos（IS）」為中心，在女尊男卑的世界中，主角「織斑一夏」雖然身為男生卻能夠操縱 IS，為此他被強制進入培育 IS 操縱者的學校「IS 學園」，周圍理所當然也都是女性，而女生們也對這位「世上唯一能夠使用 IS 的男性」感到興趣，就此展開了許多趣味橫生的學校生活。

花园花铃（中原麻衣 配音）拥有着悲惨的身世，在她尚且没有记忆的时候，父母就过世了。之后，叔母收留了无处可去的花铃。花铃虽然个性善良而又温柔，脑袋却有些笨笨的，无论是成绩也好运动也好人际交往也好，她都慢别人一步，因此常常遭到叔母的责骂。花铃唯一的好朋友是她的宠物猫小西，然而有一天，小西也离她而去。 一次偶然中，花铃发现了母亲留下来的一枚戒指，这枚戒指拥有神奇的法力，能够让花铃变身成为魔法少女。之后，花铃又遇见了九条姬香（下屋则子 配音）和九条和音（泽城美雪 配音），他们也拥有着各自的戒指。

距圣诞节仅有8天时间，SOS团在凉宫春日的号召下，不出意料地策划了一场圣诞狂欢派对。但就在12月18日这天早晨，阿虚却发现周围的世界有了些许变化。1年9班消失不见，朝比奈学姐视其形同路人，甚至早已死去的朝仓也代替凉宫春日坐在了阿虚的后面，而春日则如同人间蒸发一般无人知晓。当他冲向SOS团的教室时，只看到了孤零零坐在角落里看书的长门有希，一向淡定自若、冷如冰霜的长门大神也变成了怯懦害羞的乖乖女。从前一日长门留下的蛛丝马迹中，阿虚判断出这个世界似乎被某人重组了一番。 此时的阿虚，握有连接两个绝然不同世界的钥匙，他面临着重大的选择……