《零度战姬》讲述了少年青井和哉（市来光弘 配音）的故事。原本善良而平凡的他，因为姐姐青井和叶（能登麻美子 配音）遭到异次元体“NOVA”袭击身亡，人生从此走向了完全不同的道路。为了替姐姐报仇，和哉进入了专门培养异次元体战士的杰尼提克斯学院。
学院学员分为潘多拉与制御者两类。入学后，和哉结识了许多看似柔弱、实则拥有强大实力的女孩，其中包括被誉为最强潘多拉的莎缇莱萨（能登麻美子 配音）。在一次机缘巧合下，两人结成搭档，关系也逐渐变得特别起来。与此同时，性格外刚内柔的傲娇少女嘉涅沙（喜多村英梨 配音），以及神秘的西藏转学生拉娜林沁（花泽香菜 配音）等人，也相继出现在和哉身边。
随着战斗与校园生活的展开，和哉愈发坚定了自己的目标——无论付出怎样的代价，都要查明姐姐死亡背后隐藏的真相。
