主人零是一个没见过什么世面的乡下男孩，所以第一次到东京参加动漫展的他兴奋不已。而这个时候，奇怪的事发生了，当他打开厕所的门走进去后，竟然出现了一个不一样的世界。紧接着零就遭到一位少女(Mave)追杀，就在他以为死定了的时候，一个绿发少女(SuperSylph)突然出现并救了零...随后零又陆续遇到了这个世界里的另外3位少女(Sylphid、Fand-I和Fand-II)，而且零从SuperSylph口中得知这个世界是一个动画迷根据自己的意念创造出来的幻想世界...零在这个世界里将会有怎样的奇遇？这几位少女的命运又会有怎样的发展？...
与著名的硬派SF动画OVA《战斗妖精雪风》所不同的是，美少女战斗机动画《战斗妖精少女》是一部以“萌”为主旨的作品。