《机器人少女Z》的故事发生在位于东京都心练马区大泉学园光子力町的光子力研究所。为了实现“征服世界”的野心，来自群马一带地下帝国的阿修罗男爵不断派出机械兽少女，前来骚扰研究所和附近街区。
研究所里生活着三位少女：Z酱（魔神Z娘）、小格酱（大魔神娘）和古莲达小姐（古莲泰莎娘）。她们平时总是穿着钢铁之魂战斗服，自称只是普通的人类少女，怀揣着各自的梦想——不过，既然她们能把手臂发射出去，这个说法究竟是否可信就很难确定了。另一方面，机械兽少女们虽然穿着可疑的布偶装，表面上也只是普通少女，但其中甚至有人脑袋被砍掉也不会死，她们的真实身份同样成谜。
地下帝国的目标虽然是“征服世界”，但实际行动却总停留在逃单吃霸王餐、占领休闲娱乐场所等程度，始终没有超出“制造一点小麻烦”的范围。
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