"Arma-Girl" narra principalmente a história da protagonista Kairi, que perde a memória de combate e procura por si mesma, acabando por "despertar". Entre 2025 e 2030, uma guerra mundial que afetou toda a humanidade causou a destruição de metade da população, e os humanos já não conseguiam controlar o rumo do conflito. Para garantir a vitória final, os combates não tripulados, semelhantes a um jogo, intensificaram-se gradualmente, transformando a guerra num campo de batalha entre lasers satélite, bombardeamentos por drones, inteligência artificial e grupos de tanques múltiplos não tripulados... E depois, havia um grupo de raparigas que combatiam usando armas já ultrapassadas - as Arma-Girls. Voltando atrás no tempo. Uma "entidade cósmica inteligente e espiritual" que chegou à Terra, para escapar da perseguição de seres semelhantes, fundiu-se com um objeto inorgânico - uma M4A1 - num armazém de um traficante de armas próximo. No seu percurso, a "M4A1" acabou nas mãos de um jovem otaku militar numa certa cidade. A rapariga levou a "M4A1" para casa, falou com ela, cuidou dela, limpou-a com cuidado, e a entidade cósmica começou a mover-se novamente. Em resposta aos sentimentos do jovem, a arma (a entidade cósmica) transformou-se autonomamente numa bela rapariga, a quem o jovem chamou "Kairi". No entanto, vários países importantes, ao tomarem conhecimento da existência de Kairi, iniciaram uma competição para a capturar...