Die Schülerin Ryuko Matoi wechselt auf die Honnouji-Akademie, eine Oberschule, die von der furchteinflößenden Schülervertretung regiert wird, deren Goku-Uniformen ihnen übermenschliche Kräfte verleihen. Auf der Suche nach Hinweisen auf den Mörder ihres Vaters trifft Ryuko auf die Schulsprecherin Satsuki Kiryuin, der sie erklärt, dass sie den Besitzer der anderen Hälfte einer riesigen Schere, welche sie bei sich trägt, sucht. Allerdings wird Ryuko schnell vom Leiter des Schul-Box-Clubs, Takaharu Fukuroda, besiegt, welcher über eine Zwei-Sterne-Goku-Uniform verfügt. Sie zieht sich in die Ruinen ihres niedergebrannten Hauses zurück und beklagt ihre Niederlage, als ihr Klassenlehrer Aikuro Mikisugi eine Falltür auslöst und sie so in einem geheimen Keller ihres Vaters landet. Dort trifft sie auf eine lebendige Schuluniform, welche sich kurzerhand ihres Körpers bemächtigt.

Nach dem Kampf ist Ryuko am Ende ihrer Kräfte und Makos Familie nimmt sie kurzerhand bei sich auf. In dieser Nacht ruft sich Ryuko wieder ins Gedächtnis, wie sie auf die Uniform traf, die ihr Vater Isshin erschaffen hatte. Sie entscheidet sich daraufhin ihr den Namen Senketsu („Frisches Blut“) zu geben. Am nächsten Tag trifft sie auf die Leiterin des Tennis-Clubs, Omiko Hakodate, welche Ryuko mehrere hundert Meter weit schlägt, als diese nicht auf Senketsus Kräfte zurückgreifen kann. Sie wird von Aikuro gefunden, der ihr daraufhin erklärt, dass das Kamui Senketsu auf ihr Blut angewiesen ist, um zu funktionieren und erhält von ihm einen Handschuh, der ihr dabei helfen soll. Weiter müsse sie Omiko besiegen, wenn sie von ihm mehr über Senketsu erfahren wolle.

Aikuro klärt Ryuko über die „Lebensfäden“ auf, die, in Goku-Uniformen eingewoben, diesen Superkräfte verleihen, wobei Kamui zu 100 % aus eben jenen Fäden bestehen. Weiterhin habe ihn Isshin (Ryukos Vater) damit beauftragt, im Falle seines Todes dafür zu sorgen, dass sie Senketsu erhält. Währenddessen zieht sich Satsuki, die von Ryukos Auftreten im Kamui verärgert wurde, selbst ein Kamui namens Junketsu an, den ihr Vater ihr als Hochzeitskleid versprochen hatte.

Während sich Senketsu in der Wäsche befindet, wird Ryuko vom alljährlichen „Kein-Zuspätkommen-Tag“ überrascht, an dem alle Schüler ohne Goku-Uniform einen Hindernis-Parcours überwinden müssen, um rechtzeitig zu Schulbeginn anwesend zu sein – andernfalls werden sie der Schule verwiesen. Zusammen mit der verletzten Schülerin Maiko Ogure machen sich Ryuko und Mako auf den Weg durch den Parcours, während Makos Vater, kleiner Bruder und der Hund der Familie mehrfach vergeblich versuchen, Ryuko ihre Uniform zuzustellen. Nachdem die Drei einen gepanzerten Bus kapern, gelingt es ihnen noch rechtzeitig 15 Minuten vor Beginn des Unterrichts an der Schule einzutreffen.

Der Scharfschütze Tsumugu Kinagase versucht Ryuko aus dem Weg zu räumen, wird dabei aber vom Gartenbau-Club der Schule unterbrochen, den er schnell niederschlagen kann. Ryuko trifft, nachdem sie Mako aus den Fängen des Biologie-Clubs befreit hat, auf Tsumugu, der sie festnagelt und ihr die Uniform abnehmen will, aber von Aikuro unterbrochen wird. Später am Abend treffen sich Aikuro und Tsumugu zu einem Gespräch, wobei Tsumugu klarstellt, nicht von seinem Plan abweichen zu wollen – die Gefahr, welche von einem Kamui ausgehe, sei zu groß.

Nachdem Ryuko von der Verbindung zwischen Tsumugu und Aikuro erfahren hat, versucht sie von ihm mehr zu erfahren, erhält aber nur den Namen seiner Organisation: Nudist Beach. Unterdessen erbittet sich Uzu Sanageyama, ein weiteres Mitglied der „Elite Vier“, von Satsuki die Erlaubnis gegen Ryuko kämpfen zu dürfen. Am nächsten Tag fordert Uzu in seiner Drei-Sterne-Goku-Uniform „Blade Regalia“ Ryuko zu einem Kampf heraus. Durch die Fähigkeit seiner Uniform, alle Bewegungen von Ryuko vorauszusehen, ist er zunächst im Vorteil, doch Ryuko gelingt es durch Abschneiden eines Teils ihrer eigenen Uniform, Uzu zu blenden und seine Uniform zu zerstören.

Als Ryuko erfährt, wie viele Schüler neue Clubs gründen, um so an bessere Uniformen und damit auch an einen höheren Lebensstandard in der Stadt zu gelangen, entschließt sie sich, einen eigenen Kampf-Club zu gründen, und macht Mako zur Club-Vorsitzenden, die sich fortan um Papierkram und Sitzungen kümmern muss. Weil Ryuko stetig die Vorsitzenden anderer Clubs schlägt, steigt damit auch der Kampf-Club schnell in der Rangordnung auf, so dass Mako bald eine Ein-Stern-Goku-Uniform erhält und die Mankanshoku-Familie aus dem Slum in ein Apartment ziehen kann. Mako, die vom neugewonnenen Glück ihrer Familie überwältigt ist, steigert sich immer weiter in ihre Aufgabe als Club-Vorsitzende, um ihrer Familie noch mehr bieten zu können.

Satsuki kündigt ihr System der „natürlichen (Aus-)Wahl“ an: In der folgenden Woche wird jeder Schüler gegen jeden Schüler kämpfen und nur wer am Ende siegt, darf weiter eine Goku-Uniform tragen. Aus Angst den eigenen Lebensstandard zu verlieren begibt sich beinahe die gesamte Schülerschaft umgehend in den Kampf, während Ryuko zusammen mit Mako erneut die Ruinen ihres alten Hauses auf der Suche nach weiteren Hinweisen aufsucht. Nachdem sie nichts finden können, treten die beiden die Heimreise an, auf der ihnen allerdings der Sprit für den Motorroller ausgeht. Sie treffen auf Ira, der vor Kurzem seinen Führerschein gemacht hat und sich die Woche freinimmt, welcher (in seiner Rolle als Vorsitzender des Komitees für Schuldisziplin) anbietet, die beiden Mädchen bis zur nächsten Tankstelle mitzunehmen.

Vor Beginn des Kampfes bittet Aikuro Ryuko, einen Rückzieher zu machen, da sie noch nicht bereit für die „Elite Vier“ sei – eine Bitte, welche die sturköpfige Ryuko schnell ausschlägt. Kurz darauf beginnt ihr Kampf gegen Ira, der die Kräfte seiner „Shackle Regalia“ nutzt, um sich selbst zu geißeln und dadurch genug Kraft für die Transformation in „Scourge Regalia“ zu erlangen. Ryuko muss feststellen, dass seine Uniform darüber hinaus als Panzerung dient, so dass sie nicht die Lebensfäden seiner Uniform zerschneiden kann, solange diese sich nicht in die „Scourge Regalia“-Form verwandelt. Davon nicht abgeschreckt, greift Ryuko weiter Ira an, der unter Einsatz seiner vollen Kräfte Ryuko in die Form einer Vorbild-Schülerin pressen will.

Houka benutzt seine Drei-Sterne-Goku-Uniform „Probe Regalia“, um Ryukos Kampffertigkeiten zu analysieren und ihre Schritte vorauszuberechnen, woraufhin Ryuko ihre Technik aufgibt und völlig wahllos angreift. Im Gegenzug aktiviert Houka den Tarn-Modus seiner Uniform und nutzt den Schutz der Unsichtbarkeit für seine Angriffe. Erneut kontert Ryuko, diesmal indem sie Senketsus Auge auf die Größe der Kampfarena anwachsen lässt und als überdimensionierte Fliegenklatsche verwendet. Houka, der den Verlust der gesammelten Daten fürchtet, sollte seine Goku-Uniform zerstört werden, erklärt sich für geschlagen und flieht aus dem Ring.

Ryuko entscheidet sich, ihre neue Flugkraft auszunutzen und versucht einen direkten Angriff auf Satsuki, dem sich aber Nonon mit aller Kraft in den Weg stellt, bis Ryuko deren Fluggerät mit seiner eigenen Rakete zerstört. Nun präsentiert Nonon die zweite Verwandlungsstufe ihrer Uniform, „Da Capo“, mit der sie versucht, durch Schallwellen die Verbindung zwischen Ryuko und Senketsu zu übertönen. Ryuko ergreift die Gegenwehr und manipuliert Nonons Schallwellen so, dass sie ihre eigenen verstärken, welche sie wiederum auf Nonon zurücklenkt und sie so schlagen kann. Unterdessen trifft Tsumugu mit einer speziell präparierten Gewehrpatrone bei Aikuro ein, der erklärt, er sei bereit, sie gegen Ryuko einzusetzen, sollte die Notwendigkeit entstehen.

Während die wütende Ryuko Nui ununterbrochen angreift, erklärt diese weiterhin freudestrahlend, wie sie Isshin mit der „Spaltenden Schere“, welche er selbst erschaffen hatte, tötete und eine der Klingen stahl – nicht ohne dabei auch ihr linkes Auge im Kampf mit dem alten Mann einbüßen zu müssen. Ryukos Zustand der Rage bringt derweil ihr Blut zum Kochen, so dass sie Senketsu nicht mehr kontrollieren kann und sich in ein unbeherrschbares Monster verwandelt. Mako und ihre Familie greifen in die Geschehnisse ein, um Ryuko vor einem drohenden Tod durch Blutverlust zu retten, während Tsumugu versucht, Nui abzulenken und so Aikuro eine Chance zu geben, die spezielle Patrone gegen Ryuko einzusetzen. Nun greift auch Satsuki aktiv ein und versucht Ryuko mit der Kraft ihres Kamuis aufzuhalten, doch gelingt es Mako noch rechtzeitig durch beherztes Ohrfeigen Ryuko wieder zu Verstand zu bringen und sie so zu retten.

Satsuki bereitet weiter ihre Offensive gegen die Schulen in Osaka, Kyoto und Kobe vor, bei der ihr die neuen, verbesserten Goku-Uniformen helfen sollen. Währenddessen befindet sich Ryuko, ob ihres kürzlichen Kontrollverlustes, immer noch in einem tiefen inneren Konflikt und schreckt davor zurück, Senketsu erneut anzuziehen. Da kommt der suspendierte Schüler und ehemalige Leiter der Schülerzeitung, Shinjiro Nagita, auf sie zu und bittet um Unterstützung bei seiner Revolte gegen Satsukis drohenden Krieg, wird aber von Ryuko abgewiesen. Am nächsten Tag wird Mako zur Teilnahme am bevorstehenden "Schulausflug" gezwungen, als sie in die Verbreitung von Shinjiros Pamphleten verwickelt wird. Ryuko kann sich, durch Senketsus gutes Zureden, doch wieder dazu aufraffen ihr Kamui anzuziehen und Shinjiro zu helfen, der sich aber nun als die verkleidete Nui herausstellt, welche genau darauf gehofft hatte.

Ryuko, die in Aikuros Unterschlupf wieder zu sich kommt, erkennt, dass Senketsus Bewusstsein in einem kleinen Stück Stoff, das sie bis zuletzt fest umklammert hielt, weiterhin aktiv ist. Nachdem sie erfährt, was mit den restlichen Teilen von Senketsu geschehen ist, macht sich Ryuko auf den Weg in die Kansai-Region, wo Satsuki grade die Schlacht eröffnet hat.

Der Schulsprecher von Osaka, Kaneo Takarada, hält Satsuki in seinem "Dotonbori Robo"-Anzug derweil erstaunlich lange Stand, wird aber von den eintreffenden Elite Vier überrascht und auch prompt von Uzu besiegt. Kurz darauf trifft auch Ryuko am Schauplatz ein und fordert, unterstützt von den ebenfalls eintreffenden Aikuro, Tsumugu und "Nudist Beach"-Truppen, Satsuki zum Kampf heraus. Während Nudist Beach und die Elite Vier gegeneinander kämpfen, entscheidet sich Ryuko Senketsu ihre eigene Haut als Ersatz für den Handschuh anzubieten, so dass sich beide verwandeln können und Ryuko mit einem geschickten Zug Satsuki den Handschuh wieder abnehmen kann.

Satsuki kehrt nach geschlagener Schlacht zurück zum Anwesen der Familie. Vom Können ihrer Tochter im Umgang mit Junketsu beeindruckt, zeigt Ragyo Satsuki eine Kammer des Anwesens, welche die ursprünglichen Lebensfäden beheimatet – eine parasitäre, außerirdische Spezies, die sich von den Kräften der Menschen ernährt. Sie instruiert daraufhin Satsuki mit der Organisation einer Schulfeier zu beginnen, dem finalen Schritt in ihrem Plan die "COVERS", eine Armee von Lebensfaden-Kleidung, über die ganze Welt zu verbreiten. Zur gleichen Zeit treffen Aikuro, Tsumugu, Ryuko und Mako in einem unversehrten Teil der "Nudist Beach"-Untergrundbasis ein und Aikuro erklärt, dass es die Lebensfäden waren, welche die Evolution der Menschheit in die Homo sapiens vorangetrieben haben und die für deren instinktiven Drang Kleidung zu tragen verantwortlich sein.

Nachdem Mako und Senketsu den Streit zwischen Ryuko und Tsumugu schlichten können, erklärt Aikuro, dass Tsumugus Schwester Kinue in einem Experiment mit Lebensfäden getötet worden sei und weiter, dass Senketsu einen Teil von Ryukos DNA enthalte, weshalb nur sie ihn tragen und mit ihm kommunizieren könne. Währenddessen bereitet sich die Honnouji-Akademie auf die Ausrichtung des "Großen Kultur- und Sport-Festivals" zu Ehren von Ragyo vor. Ryuko, die erfährt, dass dies das finale Experiment werden soll, bei dem alle Menschen in Honnouji den Lebensfäden geopfert werden würden, macht sich zusammen mit den Anderen auf den Weg nach Honnouji, wo indes die Zeremonie begonnen hat.

Nachdem die Elite Vier alle, von den Lebensfäden gefangenen, Schüler und Bürger befreien können stellen sie sich dem Kampf gegen Nui, während Mako bei der Evakuierung hilft. Unterdessen erklärt Satsuki, wie Ragyo sie als Kind für Experimente mit dem Lebensfäden missbraucht hatte und ihre kleine Schwester, die bei einem der fehlgeschlagenen Experimente scheinbar umkam, einfach entsorgte. Ragyo, die sich durch die Kraft der Lebensfäden selbst heilen kann, gelingt es aber sich zu befreien und die geistige Kontrolle über die Schüler zu erlangen und sie so zu ihrer persönlichen Armee zu machen. Während Aikuro und Tsumugu gegen die Schüler kämpfen, kann Ragyo auch die Kontrolle über Ryuko übernehmen, welche sich nun gegen Satsuki richtet, doch kann sich Ryuko aus eigener Willenskraft wieder befreien.

Während die COVERS damit beginnen, die Menschen, einschließlich Mako, zu entführen, gelingt es Satsuki mit letzter Kraft eine Explosion auszulösen, die Ryuko und den Anderen die Flucht ermöglicht. Einen Monat später haben sich die Elite Vier und Nudist Beach verbündet, um gegen die COVERS zu kämpfen, die nun ganz Japan angreifen, während sich Ryuko seit dem Kampf immer noch in einer Art Koma befindet. Satsuki, die von ihrer Mutter Ragyo gefangen gehalten wird, erfährt, dass ihr Vater Soichiro seinen eigenen Tod offenbar nur vorgetäuscht hatte, um sich so in Isshin Matoi zu verwandeln und Ryuko aufzuziehen, während er an seiner Rache gegen Ragyo arbeitete. In Osaka sehen sich derweil die Elite Vier zu einem Kampf gegen die COVERS gezwungen, können aber mit einem neuentwickelten Gerät Mako wieder aus dem Anzug befreien.

Papier-Klone von Ragyo und Nui erscheinen vor Ryuko und können sie dazu verleiten, sich zur Honnouji-Akademie zu begeben, um gegen die Beiden anzutreten. Ryuko, die jegliche Hilfe der Anderen ausschlägt, macht sich alleine auf den Weg. Nachdem es den Elite Vier gelingt, wieder Zugriff auf die Überwachungskameras in Honnouji zu erhalten, können sie den Aufenthaltsort von Satsuki ausfindig machen, und erkennen, dass diese bereits ihre Flucht plant. Mit neugefasstem Mut machen sie sich, zusammen mit den Mankanshokus und dem Rest von Nudist Beach auf Aikuros Kriegsschiff, der "Naked Taiyoumaru", auf den Weg zur Honnouji-Akademie, um auch dem Kampf beizutreten.

Satsuki und Senketsu beginnen ihren Kampf gegen Ryuko, in der Hoffnung sie wieder zur Vernunft zu bringen, werden aber schnell stark in die Defensive gezwungen. Die Elite Vier greifen in den Kampf ein und lenken Ryuko ab, so dass Ira seine neue Waffe einsetzen kann, um Junketsu von Ryukos Körper zu entfernen. Doch werden sie von der nun eintreffenden Nui unterbrochen, die erklärt, dass sie Junketsu mit Ryukos Lebensfäden verknüpft habe, so dass diese sterben würde, sollte sie versuchen Junketsu mit Gewalt auszuziehen. Währenddessen benutzt Ragyo die Kräfte der COVERS, um dem Meteoriten, der die Lebensfäden einst auf die Erde brachte, das Abheben in die Luft zu ermöglichen.

Ryuko vereint sich wieder mit Senketsu und kämpft gegen Nui, wobei sie beide Scherenklingen an sich bringen kann und damit Nuis Arme abtrennt. Nui wird von Ragyos Sekretärin Rei Hououmaru gerettet, während die Elite Vier und Nudist Beach diese Gelegenheit nutzen, um die Menschen aus den COVERS zu befreien, welche die beiden bei ihrer Flucht zurückgelassen haben. Satsuki stimmt zu, sich als Strafe für ihr manipulatives Verhalten von Ryuko schlagen zu lassen, doch die Elite Vier stellen sich zwischen die Beiden und fangen die Schläge ab. Ryuko, die jetzt erkennt, dass auch Satsuki Freunde ganz wie sie selbst besitzt, nimmt Satsukis Entschuldigung an und stimmt zu, diese im Kampf zu unterstützen.

Ryuko und Satsuki treffen beim Meteoriten der ursprünglichen Lebensfäden ein, um Ragyo zu konfrontieren, welche jetzt auch über zwei riesige Nähnadeln verfügt, die gegen die Waffen der beiden Mädchen resistent sind. Die Elite Vier erhalten ihre neuen Goku-Uniformen und treten Mako im Kampf zur Seite, die weiterhin versucht das Schiff zu verteidigen, während jetzt auch der Lebensfaden-Meteorit Kurs auf selbiges nimmt. Ragyo gelingt es im Kampf mit Ryuko deren Angriff zu parieren und so Ryukos Körper in zwei Teile zu zerteilen, so dass diese ins Meer fällt. Doch stellt sich schnell raus, dass dies ein von Ryuko eingefädelter Plan war, bei dem Satsuki Ragyo ablenken sollte, während Ryuko unter Wasser ihre Wunden heilt und dann die Lebensfäden angreift.

Ragyo benutzt die Fähigkeit "Absoluter Gehorsam" ihres Shinra Koketsu, um die Kräfte der anderen Goku-Uniformen und Kamui außer Gefecht zu setzen, bevor sie den Quell des Lebensfadens wiederbelebt. Während die Anderen gelähmt sind, kann Ryuko, dank ihrer besonderen Physiologie, in Unterwäsche weiterkämpfen und Senketsu gelingt es erstmals direkt mit Satsuki zu kommunizieren. Dadurch seiner eigenen Fähigkeiten bewusst geworden, verwandelt er sich selbstständig in Senketsu Shippu und durchbohrt Ragyo, die daraufhin die Kontrolle über die Goku-Uniformen verliert. Die Elite Vier und Nudist Beach nutzen diese Gelegenheit, um den Satelliten-Uplink zu zerstören, während Satsuki und Ryuko vereint ihre Mutter mit den Scherenklingen zerteilen. Die gespaltene Ragyo fordert daraufhin Nui auf, sich mit ihr und dem Quell des Lebensfadens zu verbinden und schießt sich in den Orbit, um dort direkt den Satelliten zu aktivieren, mit dem sie die Erde in eine Kokon-Sphäre verwandeln will.