„Frame Arms Girl” to historia o Ao Gennai, przeciętnej uczennicy liceum, której życie diametralnie zmienia się, kiedy pewnego dnia otrzymuje tajemniczą przesyłkę. W środku znajduje Gourai, miniaturowego humanoidalnego robota zdolnego do ruchu i walki, znanego jako Frame Arms Girl. Gourai to pierwszy tego typu robot, posiadający niezwykle zaawansowaną sztuczną inteligencję, co pozwala jej formować osobowość, uczyć się i rozwijać – podobnie jak ludzki umysł. Po aktywacji Gourai, Ao zostaje pchnięta w świat Frame Arms Girls, gdy coraz więcej inteligentnych robotów trafia prosto do jej domu. Ao zobowiązuje się zebrać jak najwięcej danych o Frame Arms Girls i ich walce, wszystko to podczas gdy one uczą się, czym jest bycie człowiekiem.