Tajemnicze stworzenia latające, nazywane Xi, niespodziewanie pojawiają się i zagrażają ludzkości, dominując w powietrzu dzięki swej niezwykłej sile i zaawansowanej technologii. Aby odeprzeć ataki przeciwnika, ludzie zaczynają korzystać z „Anima”—specjalnych dziewcząt obdarzonych umysłami wyposażonych w sztuczną inteligencję zaawansowanych samolotów bojowych. Pewnego dnia młody chłopak o imieniu Kei Narutani zostaje świadkiem nagłego starcia w powietrzu i poznaje Gripen—tajemniczą dziewczynę będącą jedną z cennych i potężnych Anima. Kei dołącza do sił powietrznych, zbliżając się do Gripen i innych dziewcząt Anima. Wspólnie walczą by ochronić niebo i przyszłość ludzkości. „Girly Air Force” to pełna akcji, widowiskowych walk powietrznych i sci-fi historia, przedstawiająca konflikt ludzi ze sztuczną inteligencją na tle dynamicznie rozwijających się relacji między bohaterami.
