《腹黑妹妹控兄记》围绕高梨修辅和高梨奈绪这对兄妹展开。修辅是个普通高中生，性格温和。奈绪则是个外表可爱，内心腹黑的妹妹。奈绪表面上是个乖巧的妹妹，实际上对哥哥有着超乎寻常的占有欲。她会用各种小心机来独占哥哥的关注，比如故意在哥哥面前装柔弱，或者设计让哥哥只和自己相处。修辅虽然有时能察觉到妹妹的小心思，但还是很疼爱她。在学校里，修辅有自己的社交圈子，这让奈绪心生不满，从而引发了一系列搞笑又温馨的故事，展现了兄妹之间复杂又深厚的情感。