Yoshika Miyafuji ist ein vierzehnjähriges Mädchen, das magische Heilkräfte besitzt. Eines Tages wird sie von Mio Sakamoto, Major des 501. Joint Fighter Wing a.k.a. Strike Witches, angesprochen, um sich ihrem Team anzuschließen. Einige Tage nachdem Yoshika die Einladung wegen ihrer Abneigung gegen Kriege abgelehnt hat, erhält sie einen Brief.

Auf ihrer Reise nach Britannia werden Yoshika und die anderen von mysteriösen Invasoren angegriffen, die Neuroi genannt werden und bedrohliche Wesen aus einer anderen Welt sind. Um Zeit zu gewinnen, bis Verstärkung eintrifft, macht sich Major Sakamoto alleine auf den Weg, nur um von einem heftigen Angriff der Gegner getroffen zu werden. Trotz aller Bemühungen wird sie zurückgedrängt und schließlich in die Enge getrieben. Yoshika kann nichts anderes tun, als entsetzt im Schlachtschiff zu warten.

Yoshika beschließt, sich den Strike Witches anzuschließen. Lynette Bishop, eine weitere Rookie-Hexe, die 15 Jahre alt ist, führt Yoshika herum. Obwohl Yoshika wegen ihrer neuen Aufgabe nervös ist und nichts von der Aufstellung der Truppe versteht, verhält sich Lynette etwas unfreundlich, was Yoshikas Angst noch verstärkt.

Yoshika gewöhnt sich nach und nach ans Leben als Mitglied der Strike Witches. Sie wird jedoch von ihrer Betreuerin Gertrud Barkhorn als unerfahren abgetan. Verzweifelt, ihre Akzeptanz zu gewinnen, stürzt sich Yoshika in ihr Training, als sie plötzlich Neuroi gegenübersteht.

Shirley, der Geschwindigkeitsfreak, ist besessen davon, die Schallgeschwindigkeit zu überschreiten. Die fleißige Francesca Luccini mischt sich in die Anpassungen von Shirleys Striker Unit ein, bevor die von allen Mitgliedern geforderte Wasserungsübung durchgeführt wird, die anschließend zu einem unerwarteten Vorfall führt.

Yoshika und ihre Kameraden werden auf dem Rückweg von einer Mission in London von den Neuroi angegriffen, bekommen aber Hilfe von Sanya, die zufällig auf einer Nachtpatrouille ist. Als Ergebnis erhält Yoshika den Befehl, die Nachtschicht zu leisten und muss die Nacht mit Sanya im selben Zimmer verbringen, als eine neidische Eila hereinplatzt.

Erica verlegt einen wichtigen Teil ihrer Uniform (Höschen) und verursacht einen chaotischen Vorfall in der Hexenbasis.

Commander Minna beginnt sich seltsam zu verhalten, als die Crew der frisch reparierten Akagi Yoshika mit Lob für ihre Heldentat überschüttet.

Trotz ihrer Bemühungen, Mios schwere Wunde zu heilen, ist Yoshika in ihrem Quartier unter Arrest. Während die anderen Hexen an ihrer Geschichte der menschlichen Neuroi zweifeln, macht sich Yoshika allein auf den Weg, um die Wahrheit zu finden.

Das 501. Joint Fighter Wing wird mit der Enthüllung der unbemannten Anti-Neuroi-Einheit Warlock aufgelöst. Während sich die Hexen zerstreuen, läuft während des Angriffs des Warlocks gegen den nahegelegenen Neuroi-Schwarm etwas gewaltig schief.

Yoshika startet alleine gegen den außer Kontrolle geratenen Warlock und hält verzweifelt durch, während die anderen Hexen sich ihr anschließen und der monströsen Mischung aus Mensch und Neuroi-Technologie ein Ende setzen.