公元2071年，因遭受突如其来的机械细胞群W.O.R.M的袭击，人类丧失了总人口的1/3。
同2074年，联合人类均在整个地球范围内大量使用破坏兵器，以更大的代价换来了全歼W.O.R.M的战果。
接着过去了10年…。
梦想翱翔于蓝天的元气娘樱野音羽。智商200的天才园宫可怜。年轻的空战精英一条瑛花。
三名少女来到了横须贺。
展现在她们眼前的，是建立在推翻迄今为止所有的战斗理念基础上，以全新的设计思想开发而成的新型兵器，SD。
在现在已引退的前机师冬后苍哉的带领下，少女们作为SD候补机师的训练生活开始了。
在训练中，随着SD被制造出来的目的逐渐明了，冬后，乃至于音羽她们开始了反抗。
然而，危机也随之降临。
仿佛嘲笑复兴中的人类一般，10年之后歼W.O.R.M卷土重来。
樱野音羽，园宫可怜，一条瑛花。
翱翔于蓝天的少女们…她们的名字叫做天翔少女！
背负起人类的未来与希望，现在，展翅翱翔的时刻已经到来