Pada tahun 1939, umat manusia berada di ambang kehancuran. Dilengkapi dengan senjata berdaya hancur yang dahsyat, ras alien misterius yang dikenal sebagai Neuroi memulai invasi ke Bumi, merusak planet ini, menghancurkan negara-negara, dan mengalahkan pasukan manusia. Untuk melawan kekuatan yang tampaknya tak terhentikan ini, kekuatan-kekuatan dunia bersatu. Sebuah perangkat baru diproduksi, disebut Striker Unit, yang mampu menghadapi teknologi Neuroi. Gadis-gadis yang dilengkapi dengan Striker Unit dikenal sebagai Witches, membentuk garis pertahanan terakhir umat manusia. Mereka memulai pertempuran melawan Neuroi, memanfaatkan kemampuan magis mereka yang kini ditingkatkan, serta senjata-senjata menghancurkan yang tidak dapat ditangani oleh manusia biasa.

Lompat ke tahun 1944—Yoshika Miyafuji adalah gadis remaja yang akhirnya memutuskan untuk bergabung dengan Skadron Tempur Gabungan ke-501, yang dikenal sebagai “Strike Witches.” Tanpa pelatihan formal, bisakah Miyafuji belajar bekerja sama dengan rekan-rekannya di Strike Witches? Dan jika ya, bisakah dia menyelamatkan umat manusia dari serangan Neuroi?