故事发生在彩玉大学的理科研究室内，冰室菖蒲（雨宫天 配音）和雪村心夜（内田雄马 配音）是在这里工作的两名研究生。某日，让心夜没有想到的是，自己竟然收到了菖蒲的告白。所为万事以科学为上的理科研究生，对于爱情自然也要用符合逻辑的证据去证伪，为了证明菖蒲对自己的爱确有其事有迹可循，心夜带领着整个实验室开始了对爱的实验。每天都像佣人一样被使唤来使唤去的解说员奏言叶（原奈津子 配音）、性格反复无常，过于以自我为中心的棘田惠那（大森日雅 配音）、表面看来是个不良少年，实际上却是个死宅的犬饲虎辅（福岛润 配音），陪着菖蒲和心夜进行爱情实验的是这些可爱的研究员们。
个性活泼开朗有时候显得有些大大咧咧的水无月遥（田村由加莉 配音）、成熟稳重颇具大小姐风范的神无月葵（能登麻美子 配音）、从意大利转学而来的天才少女叶月胡桃（钉宫理惠 配音），活泼可爱的三人平日里在学校中是无话不谈的好友，过着平凡的校园生活，但每当夜晚来临，她们便会变身成为拥有超能力的魔法少女。三人的目标，是寻找价值连城的天使像，邪恶而又贪婪的地下拍卖组织Black auction得到了它，企图通过它来牟取暴利。成绩优异的学生会长如月唯人（桧山修之 配音）、随叫随到的万能管家长月平之丞（清川元梦 配音），是他们在背后默默的支持着少女们。
