西歷2071年,迷之機械細胞群突然發起全球性人類殲滅作戰。2074年人類動用最終破壞兵器反制,雖重創敵人卻導致主要大陸分裂、南極消失及全球超半數陸地沉沒。十年后,曾因傷退役的冬后大佐意外接獲特殊任務:訓練日本海軍秘密研發的新武器飛行員。這三名少女候選者出乎意料——精英軍人家庭出身的一條瑛花尚在情理之中,IQ200的天才少女園宮可憐與看似毫無關聯卻充滿活力的櫻野音羽令其震驚。隨著嚴苛訓練展開,三位性格迥異的少女逐漸建立深厚羈絆,在駕駛凝聚尖端科技戰機"SKYGIRLS"的過程中,她們不僅要突破自身極限,更成為背負人類存亡希望的關鍵戰力,在被戰火撕裂的天空中展開命運之戰。