最终兵器少女全集动画故事的主角是一个北海道的学生修次。他的同班同学千濑在故事开始的时候就已向修次表白了。但因为千濑的害羞性格和修次的不善辞令,所以他们就以写交换日记来开始他们的情侣关系。
一日,当修次和朋友到札幌购物的时候,不明来历的轰炸机对札幌进行了猛烈的轰炸。修次和他的朋友找地方作掩护时,他见到了一个快速的小型飞行物体向敌军的轰炸机进行攻击。修次和他的朋友失散了之后,他在废墟堆中徘徊。当他在废墟堆当中见到增生了翅膀、武器、不再心跳且衣着破烂的千濑之后,千濑告诉他,她已经成为日本自卫队的“最终兵器”,故事于是开始。
最终兵器少女全集动画海报