特别喜欢游戏和金平糖的高中生白柳启，有一天，被一个自称是魅音的神秘女子卷入了战场。 魅音对聚集起来的人们说：“你们已经没有户籍了。” “请成为实验观测器吧。”在场的每人都被给予了特殊的能力参加各种项目。 下定决心要摧毁这一组织的启，以谁都无法预料的能力和罕见的“脑”能力为武器，新时代的头脑派能力战斗开始。
小学时期，游泳部的四名成员在毕业前的游泳比赛中夺冠，之后他们毕业的毕业，出国的出国，四人分道扬镳。时过境迁，就读岩鸢高中的七濑遥（岛崎信长 配音）和好朋友橘真琴（铃木达央 配音）升上高二，他们与昔日的游泳部成员之一叶月渚（代永翼 配音）重逢。三人回忆起小学时光，约定到曾经的游泳馆去。在废弃的游泳馆里，他们居然遇到了归国的松冈凛（宫野真守 配音）。意料之外的是，昔日战友凛性情大变，还对遥发起挑战，结果遥输给了他。
市立见泷原中学，又迎来平静祥和的一天。就读于二年级的女孩鹿目圆（悠木碧 配音）和朋友美树沙耶加（喜多村英梨 配音）、志筑仁美（新谷良子 配音）尽情讨论恋爱的话题，享受少女的快乐青春。这时班上转来了名叫晓美焰（斋藤千和 配音）的新生，这个带着些许神秘气质的女孩让小圆颇感疑惑。与沙耶加下学回家路上，小圆听到呼救声，声音来自一只浑身伤痕累累的未知生物，而追杀它的正是晓美焰。危急时刻，她们得到同为见泷原中学学生的魔法少女巴麻美（水桥香织 配音）的帮助，进而得知那只名叫丘比的生物有能够帮助人变成魔法少女的能力。少女们无意间开启了通往另一个世界的大门……
