《机器人少女Z》围绕着一群机器人少女展开故事。主角神宫寺莲是个普通高中生，在机缘巧合下，他遇到了机器人少女Z。Z拥有强大的战斗力和可爱的外表，她原本被封印，因莲的缘故得以解封。此后，莲与Z开始了共同生活。 在这个过程中，不断有新的机器人少女出现，像傲娇的艾可、温柔的米露露等。她们各有独特的能力和性格，有的是为了寻找同伴，有的是为了完成任务。同时，也有邪恶势力觊觎机器人少女们的力量，企图利用她们达成不可告人的目的。莲和机器人少女们一次次并肩作战，在战斗中彼此加深信任，共同成长，也发生了许多搞笑又温馨的故事。