宮藤芳佳は治癒魔法が使える14歳の魔法少女。ある日、第501統合戦闘航空団、通称ストライクウィッチーズに所属する坂本美緒少佐から勧誘を受ける。戦争が嫌な芳佳はその誘いを断るが、そこに一通の手紙が届く…。
ブリタニアへ旅する芳佳たちの前に、異世界からの侵略物体ネウロイの魔の手が迫る。坂本少佐は応援到着までの時間を稼ぐため単身迎撃に出るが、敵の猛攻撃に遭い絶体絶命。艦内で震える芳佳が顔をあげるとそこには…!?
ストライクウィッチーズに入隊することになった芳佳は、同じく新人ウィッチで15歳のリネット・ビショップに案内されることになる。判らないことだらけで不安いっぱいの芳佳に、なぜかリネットはよそよそしく…。
新しい生活にようやく慣れてきた芳佳だが、上官のバルクホルンからは未熟な面を責められ手厳しく冷たい態度を取られる。認めてもらいたい一心で訓練に打ち込む芳佳の前に何の前触れもなくネウロイが現れた…!!
スピード狂のシャーリーは今日も音速越えを目指して奮闘中。部隊全員で水上訓練に出かける直前に、おせっかいなルッキーニがストライカーユニットのチューニングをいじったことから思わぬ事態に…!?
ロンドン特務の帰路にネウロイの襲撃を受けた芳佳たちは、夜間偵察中のサーニャに助けられる。目撃者の芳佳は夜間任務を命じられ、サーニャと一緒の部屋で寝泊りすることになるが、そこに嫉妬したエイラが乱入して…!?
ある朝、制服の一部が無いことに気づいたハルトマンはそのまま風呂場に直行。なにくわぬ顔で更衣室に置いてあった他の隊員のものを履いて任務についてしまったことから、部隊内は大騒ぎ！ そこにスクランブルがかかり…!?
芳佳を扶桑皇国から運んでくれた赤城がウィッチーズ基地に寄港した。乗組員から感謝の手紙を渡された芳佳だったが、それを見たミーナはその手紙を取り上げてしまう。不思議に思った芳佳は親友のリーネに相談するが…。
最近めきめきと腕をあげてきた芳佳は、部隊内での模擬戦で見事な左捻り込みを決めて勝利。それを見たペリーヌは、坂本が得意技を芳佳にだけ秘密特訓したはずと思い込み、嫉妬して芳佳に果たし状を叩きつけるが…!?
ネウロイと遭遇した際の独自先行による命令違反で、ミーナから自室禁錮処分を言い渡された芳佳。だが、どうしても確かめたいことがあるため部屋を抜け出すと、そこには心配して様子を見にきた親友のリーネがいた…。
第一特殊強襲部隊、通称ウォーロックが、対ネウロイの新部隊としてブリタニアに配置されることになった。以前から軍上層部の動きについて不審感を抱いていたミーナたちは独自の捜査を開始する…。
ブリタニアを守るため、たった1人で戦いに出る芳佳。敵の圧倒的な戦力の前に絶対絶命の窮地に追い込まれた時、第501統合戦闘航空団、ストライクウィッチーズの仲間たちが駆けつける…！
ガリア地方を解放したブリタニアでの戦いから半年、扶桑皇国で学校を卒業した宮藤芳佳のもとへ父から謎の手紙が届く。それは新たな戦いの予告なのか？ 大切な仲間を守るため、魔法少女はふたたび空へ舞い上がる！
宮藤芳佳が到着したアドリア海上空には新たなネウロイの脅威が迫っていた。ヴェネツィア艦隊が必死に抗戦するなか、芳佳はストライカーユニットをつけて単身迎撃に出る。ガリアの時よりさらに力を増したネウロイの前に苦戦を強いられるが!?
ブリタニアでの活躍から半年のブランクがある宮藤、リーネ、ペリーヌの3人は練習でも調子が上がらない。その様子を見た坂本は基礎訓練のため3人をある島へ修行に行かせることにする。その島で3人を待っていたものは？
新しい基地でネウロイに備えるウィッチーズのもとにカールスラントから補給品が届いた。それはカールスラントの新技術を組み込んだ秘密兵器!? 鼻高々なバルクホルンにシャーリーが挑戦状を叩きつける!?
新基地にも慣れてきたある日、食料庫が空になってしまった。買出し先はローマ市街。土地勘があるルッキーニが案内役、トラックの運転はシャーリー、食料調達は宮藤が担当することになり、ローマに向かった一行だったが、街中でルッキーニが行方不明に!?
ネウロイ迎撃に向った坂本たちは、小型ネウロイへの攻撃を続けても倒せないことから、本体が別のところにあることに気付く。魔眼で探索するとコアの位置が通常兵器では届かない場所にあることが判明。ウィッチーズ全員を稼動した作戦を立てる。
かねてから施設班が建設中だった基地内の大浴場がついに完成した。訓練で汗をかいた後、久しぶりの大浴場を楽しんでいた宮藤たちの前にネウロイ襲来の警報が鳴り、基地内は大騒ぎ！
烈風斬の修行をしている坂本を見た宮藤は、扶桑に古より伝わる秘奥儀を教えてほしいと頼むが断られる。坂本に認めてもらえるよう頑張る宮藤だが、何故か調子が上がらない。そこへ扶桑から到着した艦隊で事故が起きたとの連絡が入る。
一時休暇にガリア復興のため小さな村を訪れるペリーヌ。建設中の小学校が完成間近なことを喜んでいると、村の子供から橋が壊れたので友達が学校に通うことが出来なくなったとの話を聞く。ペリーヌは橋を架けるためにどうすればいいかと奮闘する。
ネウロイとの戦いが激化していくなか、最終決戦に備えた戦略としてネウロイに占領された島を奪回するよう軍司令部からウィッチーズに指令が下った。島への突入には奇襲攻撃をしかけるため、2人のウィッチを選ぶ必要があるのだが…。
坂本の魔法力が限界になりつつある中、ヴェネツィア上空にあるネウロイの巣への総攻撃作戦が開始されることになった。そしてミーナ率いる、第501統合戦闘航空団は連合軍の決戦兵器を護衛することを命じられたが…。
ロマーニャ地方を占領しているネウロイとの最終決戦の最中、第501統合戦闘航空団のメンバーたちは魔法力を使い果たしてしまっていた。だが、連合軍の作戦が失敗に終り撤退を余儀なくされたとき、宮藤芳佳が一人立ち上がった！
１９４５年秋。扶桑のウィッチ、宮藤芳佳の姿はヘルウェティアにあった。 第５０１統合戦闘航空団が再結成されるまでの間、医学校への短期留学が認められたのだ。 あまり時間が無いため、一生懸命勉学に励んでいる宮藤。 そんなある日、新しく友人になった少女、アルテアが、図書館で勉強していた彼女の所へやってくる。 「芳佳ちゃん、お客さんだよ」 そう告げるアルテアの後ろに立っていたのは、宮藤がよく知る人物だった…！
ネーデルラントのアントウェルペンに異変が起こっていることを知り、現地へ飛ぶ宮藤。 そこで彼女が見たのは、街に迫る巨大なネウロイの姿だった！ 平和が戻ったはずのこの地に再びネウロイが出現したことに衝撃を受ける宮藤だが、人々を守るため、たった一人で戦いに挑む決意をする。 「行かせない！」 周囲の要塞や戦艦からの攻撃をものともせずに向かってくる強力なネウロイを、彼女は倒すことができるだろうか!?
新たに第５０１統合戦闘航空団に加わった服部静夏。 しかし、生来の生真面目さが災いしてか、緊張のあまり、失敗続きでなかなか自信を持つ事ができない。 そんな彼女の心の支えは、憧れの宮藤芳佳の横に居られることだった。 「私、宮藤さんと飛べてる！ これからもずっと宮藤さんと一緒に５０１で――！」 だが、リーネ、ペリーヌたちとの訓練の最中、宮藤の身に思いもよらない事態が発生してしまう…。
ネウロイの出撃もなく、静かで落ち着いたある日の午後──。 格納庫でゆっくり新聞を呼んでいたシャーリーが叫ぶ。 「やられたー！」 なんと、シャーリーが持っていたバイクの最高速度記録が数年ぶりに破られたのだ。 また記録を塗り替えるべく、車庫から愛用のバイクを引っ張り出すシャーリー。 「最速の称号はあたしのものだ」「あたしも手伝う！」 任務の傍ら、寝る間も惜しんでバイクの改造を始めるシャーリーとルッキーニだが…。
ネーデルラント女王からの呼出を受け、彼女がいるデ・ハーグ城に向かうペリーヌと宮藤たち。 そこでペリーヌたちは、女王から、幻の青いチューリップ“クィーン・オブ・ネーデルラント”を育てて、その花を咲かせて欲しい、と頼まれる。 花に込めた女王の思いを知り「ぜひ、やらせて頂きます！」と引き受けるペリーヌ。 だが、その栽培は思った以上に難しいものだった…。
ベルリンへの侵攻ルートを探るため、偵察任務に出たバルクホルンとハルトマン。 オペレーション・サウスウィンドの再開に向けて張り切っているバルクホルンだが、その時、彼女等の前に新型ネウロイが出現、激しい戦闘に突入する。 「食らいつかれた！」「くっ！」 想定以上の機動力で襲ってくるネウロイに苦戦する二人。 そして遂には、ハルトマンが撃墜されてしまう！
宮藤のために、魔法力が回復するという薬草を探しに森へ入ったリーネ。 彼女はそこで小さな祠に奉られた箱を見つけて持ち帰ってくるが、その中には奇妙な体型の土偶が入っていた。 興味津々のルッキーニが土偶の胸を擦ると、その目が妖しく光り、彼女に思いがけない事が起きてしまう。 「るけけけけけけ～～～！」 だが彼女の異変は、これから発生する悲劇の、ほんの始まりに過ぎなかった…。
哨戒任務中のサーニャとエイラが遭遇したネウロイは、自ら霧を出してその中に隠れる厄介な能力を持っていた。 そのネウロイによって、次の戦略目標だったキール軍港は深い霧に包まれてしまい、ベルリン奪還作戦の進展に支障が生じてしまう。 この事態に対し、サーニャは自らの索敵能力を使ってネウロイを探し出す作戦を立案。 「絶対に成功させます、ミーナ中佐」 彼女はエイラ、宮藤、服部と共に、深い霧の中へ入っていくのだが…。
キール軍港を拠点に、いよいよ動き出すベルリン奪還作戦。 だが、それを察したネウロイはベルリン上空の巣《ウォルフ》から強力なロケット型ネウロイを撃ち込んでくる！ 超高速で飛行し着弾時には音速すら超えるネウロイに対し、現状のストライカーでは有効な対抗策が見当たらず、希望を失いかけるミーナたち。 その時、「新作を持ってきました」とウルスラが現れる！
遂に「ベルリン奪還作戦」が開始され、Ｂ１７爆撃部隊と共に直接《ウォルフ》に攻め込んでいく第５０１部隊！Ｂ１７爆撃機から投下された対ネウロイ気化爆弾が《ウォルフ》の雲を散らしていき、遂にその本体が現れる。 「５０１部隊降下用意！」 Ｂ１７爆撃機から出撃した宮藤たちは全員で《ウォルフ》の本体に迫っていくが、その時、新たなネウロイが次々と出現して……！
魔法力を使い果たしたため、ベルリン奪還作戦から外れることとなった宮藤。 一方、パットンは自ら指揮する超戦車軍団でベルリンへの進撃を開始し、第５０１部隊が空から彼等を援護する。 彼等はベルリン手前でネウロイ軍団との激しい総力戦に突入するが、その時、パットンたちの部隊と共に、一人の少女が戦場を駆け巡っていた。 「…怪我人は、どこですか!?」
ネウロイ軍団との大混戦の中、第５０１部隊から切り離されて孤立してしまった宮藤とパットンたち。 ネウロイの猛攻を前に、絶望的な状況に陥る宮藤たちだが、彼女は決してあきらめようとしなかった。 「ここを守るために戦います！」「たった一人でか？ 死ぬぞ」「それでも…それでも私は守りたいんです！」 激しい最終決戦の中、宮藤たちの運命、そして第５０１部隊とネウロイとの戦いの行方は果たして…！
