公元2071年，因遭受突如其来的机械细胞群W.O.R.M的袭击，人类丧失了总人口的1/3。同2074年，联合人类均在整个地球范围内大量使用破坏兵器，以更大的代价换来了全歼W.O.R.M的战果。接着过去了10年…。梦想翱翔于蓝天的元气娘樱野音羽。智商200的天才园宫可怜。年轻的空战精英一条瑛花。三名少女来到了横须贺。展现在她们眼前的，是建立在推翻迄今为止所有的战斗理念基础上，以全新的设计思想开发而成的新型兵器，SD。在现在已引退的前机师冬后苍哉的带领下，少女们作为SD候补机师的训练生活开始了。在训练中，随着SD被制造出来的目的逐渐明了，冬后，乃至于音羽她们开始了反抗。然而，危机也随之降临。仿佛嘲笑复兴中的人类一般，10年之后歼W.O.R.M卷土重来。 樱野音羽，园宫可怜，一条瑛花。翱翔于蓝天的少女们…她们的名字叫做天翔少女！背负起人类的未来与希望，现在，展翅翱翔的时刻已经到来！西历2071年，迷之机械细胞群突然开始了世界规模的人类讨伐作战计划。2074年，经过长期抗战之后，处于劣势的人类动用了最终破坏兵器，为了歼灭敌人，甚至不惜付出牺牲自己国家庞大国土的代价。于是主要大陆被分成了数块，南极大陆也消失了，地球上的50%以上的陆地被海水所淹没。大战经过了十年后…… 原本在大战中受伤而退伍不再当飞行员的冬后大佐，却突然接到了特殊命令。负责教育驾驶日本海军机密研发的、汇集了所有最新设计理念的新武器的飞行员们。令人惊讶的是，这三名飞行员候补生都是十几岁的女孩子。精英军人家庭中成长的一条瑛花也就算了，看着与战争看起来扯不上边的IQ200的天才少女园宫可怜、以及看起来唯一的优点就是有精神的少女樱野音羽这两个人，冬后哑口无言……在严酷的训练中，三人之间的羁绊也越来越深了。