資優生海神航因為電腦畫卡失誤而沒有錄取明星高中，並遭到一直以來成績僅次於他的同學山神燦緒嘲笑。在沒有合理解釋的情況下，他被逐出家中豪宅並被送往希望之島的星見丘西學園。他在船上遇見個性自大的山田，和暗中監視他的山神真深，兩人都是他同學。上島後，航分別遇見四位女孩，之後航在尋找住處時遇上意外，最後被安排住進豪宅，和自稱是他妹妹的四位女孩同住。

儘管四個妹妹各有魅力，但航覺得這一切都是夢，他試圖離開這座島，但都徒勞無功。之後他住的豪宅內發生連串怪異事件，最終他發現屋內的其他八個妹妹，以及監視自己的真深。真深自稱是航的妹妹，讓航認為自己有十三位妹妹。

航的妹妹們和他讀同間學校，讓航即使到學校也備感壓力，無論走到哪裡，都至少有一個妹妹在他旁邊，這使他不斷心生離島的念頭，但可憐說服他留了下來。一旁熱衷占卜的妹妹千影對著水晶球喃喃自語，表示哥哥會有危險。

航幫妹妹雛子找她在夢中看到的泰迪熊，他們走遍鎮上每家店都找不到，最終放棄了，不過雛子表示只要有哥哥在身邊就已經足夠。此時經過一個在慢跑的老人，給兩人一個包裹，他誤以為包裹是航遺落的。雛子打開包裹，裡面正是她夢寐以求的泰迪熊。

航熱衷於電子郵件交友，讓航的妹妹們很忌妒，擅長發明的妹妹鈴凜為姊妹們各做了一支手機，讓她們可以用電子郵件和哥哥交流，這也讓航的信箱被塞爆了。起初航對於沒有時間獨處感到煩悶，但妹妹們傳來的訊息既天真又可愛，讓航振作了起來。

航和妹妹們報名參加希望之島才藝大賽，並以優勝獎品為目標。他們演出話劇《十二位溫柔的公主》，十二位妹妹在劇中都扮演公主角色，而航扮演王子。最終他們沒能得勝，只拿到安慰獎。

妹妹們在曬衣服時，無意間把床單披在自己身上，因為模樣像極了結婚禮服，她們便開始玩結婚遊戲。這集暗示航必須在十二人中做出選擇。

航花一整天陪體弱多病的妹妹鞠繪，兩人逛街、買書。後來下了傾盆大雨，鞠繪高燒不退，航冒著大雨衝到海邊撿拾答應送給她的貝殼，之後鞠繪便痊癒了。兩人一起到了海邊。

航和妹妹們度過夏天，她們一起吃流水涼麵、接著去買了泳裝。之後航、妹妹們和山田一起清理游泳池，並開心地戲水玩樂，除了航以外。航坦白自己是個旱鴨子，並希望擅長運動的衛教自己游泳。

儘管衛努力不懈地指導，航也拚命學習，但航遲遲學不會游泳，終究放棄了。但在妹妹亞里亞溺水時，他毫不猶豫地跳下水救人，這次的危機讓他學會狗爬式。

航和妹妹們一起搭乘鈴凜製作的潛水艇，展開水上之旅，起初他們遊覽了美妙的海景，然而風暴來襲，潛水艇開始漏水。在潛水艇毀壞後，姊妹們分散各處，只剩下航和真深在礁石上。

航、真深和十二位妹妹進入了未知的島嶼，他們發現一幢海濱別墅，決定暫住該處並找尋回家的路。雖然妹妹們都玩得很開心，但航很擔心自己回不了家，但他之後才發現眾人只是漂到了希望之島的另一側。

航回憶他和妹妹們的相處時光，暑假也隨之結束。而在結尾時可以瞥見僅出現在片尾動畫的神秘黃衣女孩。

航覺得自己對妹妹們的付出太少了，他希望妹妹們，如果有需要幫忙的事，可以盡管依賴哥哥。可憐希望他能幫忙換燈泡，兩人在街上遍尋不著同型號的燈泡，也因此共度了一整天。

風吹走了航送給亞里亞的蝴蝶結，亞里亞在一位陌生老人陪同下找蝴蝶結。與此同時，航發現亞里亞不見了，便去找她。亞里亞找到了蝴蝶結，並把緞帶送給老人當謝禮。在航找到亞里亞時，老人消失了，而樹梢上繫著亞里亞送出的緞帶。

妹妹花穗持續參與啦啦隊練習，並期望能在運動會上為航加油，而身為不擅長運動的書呆子，航決定要參加接力賽跑，以回應妹妹的聲援。航在比賽中跌倒，讓他一度想放棄，但在花穗的加油聲中，他終於抵達終點。即使是最後一名，大家也很開心。

妹妹春歌熱衷於日本文化，她告訴航自己的夢想是和哥哥去舞會跳舞，雖然航的舞技不佳，但他認為如果這能逗笑春歌也無妨。然而航扭傷了腳踝，在春歌用艾灸幫他治療後不久，他便痊癒了，但舞會也已經結束。之後航帶春歌去祭典作為彌補，兩人在那裏幫一個陌生男子找回他亡妻的髮簪，身為舞會主辦人的男子非常感激，便打開舞廳讓兩人跳舞。

航做了有關千影的怪夢，在醒來後，他發現自己靈魂出竅了，除了千影以外沒人能看到自己。千影表示只要航幫自己一點小忙，她就可以幫他復原，在從事一堆古怪的實驗後，航和千影穿越到另一個世界。異世界中的兩人有一段英雄救美的戀情，航保護千影免於死神的追殺，之後兩人在教堂準備結婚。然而比起和千影享受兩人世界，航更想和所有妹妹在一起，於是千影便讓航醒來、並讓他的靈魂回到身體裡面。

白雪每天都為姊妹們做愛心便當，讓山田很是忌妒，山田告訴白雪，應該讓航補充更多營養，並暗中希望她會做太多餐點，藉此蹭一些剩飯。山田的計畫非常成功，航和妹妹們不想辜負白雪的好意，都吃得很撐，直到航狠下心來告訴白雪，讓她把料理恢復原本的分量。

航和妹妹們共度聖誕節，十三位妹妹為航合唱一首歌，在交換禮物後，航送了音樂盒給妹妹們。

鈴凜製作了一個以自己為藍本的自主機器人，這台機器人可以洗衣煮飯、打掃環境，但因為功能太多反而使其超出負荷。鈴凜透露之所以急於完成機器人，是因為自己想赴美進修，而這台機器人是用來代替自己。

航和亞里亞在路上看到松鼠，便把牠撿回家照顧。妹妹們發現自己都有一些東西不見了，愛好偵探故事的四葉決定幫大家找出犯人。準備晚餐時，真深不慎把航送的音樂和弄壞了，但她隱瞞此事，之後花穗不小心撞到音樂盒，她誤以為是自己弄壞的，並把這件事告訴四葉。四葉把音樂盒送修，並假扮成偷走音樂盒的怪盜，藉此在送修的三天內掩蓋其損壞的實情，之後航指責了四葉、花穗和真深。而千影發現偷了大家東西的犯人是松鼠。

長期和航以電子郵件通訊的山神燦緒來到島上與航見面，除了身為燦緒妹妹的真深，航的妹妹們都很歡迎他的到來。劇情揭示真深的任務是按照燦緒的指令，將航趕出這座島，由於她的任務遲遲沒有達成，燦緒才親自出馬，而真深也不再聽從燦緒的指示。當晚，燦緒向航表示，原先的高中已經錄取了他，而他也可以回東京。

航對自己可以回到東京的感想五味雜陳，因此遲遲無法做決定，而燦緒也一直在催促他。最後航決定回到東京，千影把自己最珍貴的護身符交給他，而其他的妹妹們也都失落流淚。

出乎燦緒的意料，航選擇回到希望之島。妹妹們非常高興，成天膩在航身邊，美中不足的是真深仍然不知所蹤。數日後，他們開始上學，發現真深作為轉學生回到島上，而最大家感到意外的是，燦緒也搬到島上，以期能找到「真的很酷的東西」。