Riko Morisawa, seorang gadis muda dari Tokorozawa, melakukan perjalanan ke Tokyo bersama temannya, Mana. Ketika mereka berjalan-jalan di sekitar pertokoan di Ikebukuro, Riko melihat papan iklan tentang acara yang berkaitan dengan lini mainan Little Battlers eXperience (LBX). Mana mendesak Riko untuk membelinya, dan meskipun awalnya menolak, Riko segera membeli beberapa kit LBX untuk ayahnya.

Setelah membuka salah satu kotak yang berlabel “LBX Assassin,” sebuah celah waktu muncul dengan sendirinya dan membawa Riko ke langit Jepang alternatif. Ketika dia jatuh dengan kecepatan sangat tinggi, sebuah exosuit yang dibuat berdasarkan LBX Assassin muncul di sekelilingnya, menyelamatkannya dari kejatuhan. Namun, di tanah, dia bertemu dengan Mimesis, makhluk logam mematikan yang menyerang dunia demi dunia. Saat dia melarikan diri dari monster-monster ini, Riko diselamatkan oleh empat gadis yang dilengkapi dengan LBX. Setelah mengetahui keadaan Riko, mereka memutuskan untuk merekrutnya ke dalam unit tempur mereka-“Soukou Musume.”

Soukou Musume Senki menceritakan bagaimana unit ini bertahan dalam cobaan dan kesengsaraan yang mereka hadapi, mengembangkan ikatan yang tak terpatahkan di sepanjang jalan.