東京都千代田区にある伝統校「国立音ノ木坂学院」。ここに通う高校2年の高坂穂乃果は、学校が3年後には廃校になることを知る。廃校を免れるには入学希望者を増やすしかない。そう考えた彼女は親友の南ことりや園田海未と学校の長所を探すが、これといってアピールできるような特徴はなかった。翌朝、穂乃果は人気校のUTX学院を偵察に行き、そこで見たスクールアイドルの姿に衝撃を受ける。そして彼女は学校を救う秘策を思い付くが——。

誰もいない講堂で初ライブを終えたμ's。だが３人はいつか大勢の客を前に歌うことを誓う。そのためにはメンバーを５人に増やし、生徒会に部として認めてもらわなければならない。さっそくメンバー募集を始めた穂乃果は、1年生の花陽を勧誘するも逃げられてしまう。しかし花陽は、本心ではアイドルに憧れを抱いていた。親友の凛に勧められるも、決心できず悩み続ける花陽。そんなとき、彼女はメンバー募集のチラシを手にする真姫と遭遇し……。

アイドルの祭典「ラブライブ！」の開催を知った穂乃果たちは早速出場を目指すことに。エントリーの許可を得ようと理事長への直談判を強行した穂乃果たちは、期末テストで赤点をとらないことを条件にエントリーを許される。一方、海未は校門でμ’sのライブ動画に見入る少女に遭遇。なんと動画を撮影してサイトに上げたのは、彼女の姉、絵里だった。絵里が頑なにμ’sの活動を認めようとしない理由がわからず、海未は副会長の希に相談するが――。

ついに廃校決定！？だがそれは、二週間後のオープンキャンパスの評判次第とのこと。祖母の母校でもある音ノ木坂学院を守るため、オープンキャンパスを成功させる方法を模索する絵里。一方、穂乃果たちもオープンキャンパスに向けて練習を始めるが、絵里の実力を知った海未は、自分たちのダンスのレベルについて思い悩む。そこで海未はこれまでの経緯を穂乃果たちに話し、絵里にダンスを教えてもらうことを提案するが……。

夏休みを終えた新学期、μ’sのランキングは「ラブライブ！」出場圏内の19位にまで浮上していた。出場枠が決まるまで残り二週間。各地のスクールアイドルも最後の追い込みに入るはずと、気を引き締めるμ’sの面々。そんな彼女たちの次なる活動は学園祭でのライブだったが、クジに外れて屋上でやることに。それでも、μ'sの集大成的なライブにしようと、俄然張り切る穂乃果。そんな中、海未はことりの様子がおかしいことに気付き･･･。

穂乃果が倒れたことで中止となってしまったμ'sの学園祭ライブ。数日後、療養中の穂乃果は、絵里からμ'sの「ラブライブ！」エントリー辞退を知らされる。やがて学校に復帰した穂乃果であったが、「ラブライブ！」という目標を失いいつもの調子が出ない。一方、彼女達の活動で音ノ木坂学院の入学希望者は急増し、来年度の新入生募集が決定。アイドル研究部は学園存続を祝うパーティーを開くが、その最中、海未の口から衝撃の事実が明かされ……！

ことりの悩みに気付けなかった自分を責め、スクールアイドル引退を決意した穂乃果。それを受けてμ'sは活動を休止し、目的を失った穂乃果は海未ともすれ違ってしまう。そんな中、スクールアイドルを続けようと練習に励むにこに素っ気無いながらも励まされ、絵里からは思いもよらぬ告白をされた穂乃果はある決心をする。翌朝、呼び出しに応じて講堂にやってきた海未に、穂乃果は素直な思いを伝える。それを聞いた海未は――。

廃校を免れた音ノ木坂学院で、相変わらずの日々を過ごすμ’sのメンバー。そんな彼女たちのもとに、「ラブライブ！」が再び開催されるというニュースが舞い込む。今回は地区予選を勝ち進んだチームが本選に進めるシステムだ。強豪チーム「A-RISE」と地区予選でぶつかることに弱音を吐くも、諦めるのはまだ早いと意気込むメンバーたち。そんな中、穂乃果が「出場しなくてもいいと思う」と言い出して――！？

ついに「ラブライブ！」の地区予選が目前に迫ってきた。パフォーマンスをする場所は自由に決められるため、穂乃果は学校にステージを作ろうと提案するが、にこと花陽は、もっとインパクトのあるものにしなければ勝ち抜けないと一蹴する。しかし、学校周辺にはそれに見合う場所がなかなか見つからない。そんな中、穂乃果たちはUTX高校の巨大なモニターに映るA-RISEの堂々とした姿を見て身が引き締まる。そのとき目の前に、本物のA-RISEが現れて――！

秋葉原のハロウィーンイベントにゲストとして招待されたμ's。「ラブライブ！」で優勝するには、地域の応援も欠かせない。観客の印象に残るパフォーマンスを行い、最終予選の前に少しでもA-RISEとの差を縮めたい。そんなμ’ｓを尻目に、早速インパクト充分にイベントの開幕を盛り上げたA-RISE。先手を取られたμ’sは、自分たちも従来のイメージを変え、強いインパクトを与えなければと思い悩む。すると海未が、やるからには思い切って変える必要があると言い出して――！

ラブライブ！が終わったらμ'sはおしまいにする。全員でそう決め、本大会前日を迎えたメンバーたち。いつもと同じように屋上に集まり、和やかな雰囲気のうちに練習を終えるが、こうして9人で練習するのが最後だと思うとなかなか家路につけず、結局穂乃果の提案で最後の夜を学校で一緒に過ごすことに。合宿の時のような雰囲気にはしゃぎながらも、決意を新たに眠りにつく9人。そして翌朝、遂に本大会当日がやってきた――！

今日は卒業式。やっと送辞を作り終えた穂乃果は、意気揚々と学校へ向かう。校門前で出会った凛たちとやってきた部室には、トロフィーと旗が。そう、μ'sは見事に優勝を果たしたのだ。卒業式の準備も終わり、ついに本番。穂乃果は、こういうのは苦手だからと、真姫の伴奏で歌を歌い始める。それはいつしか全校生徒による大合唱になっていた。そうして卒業式を終え、9人は最後に一緒に校舎を見て回ることになり――。