En 1939, une entité jusqu'alors inconnue frappe la Terre. L'Europe est la première région touchée et tombe rapidement face aux Neuroi. L'humanité réagit et, grâce au Docteur Miyafuji, construit le Strike Unit, un engin permettant d'amplifier la magie et de permettre de voler. L'unité Strike Witches est alors créée et, grâce aux jeunes sorcières la composant, réussit à contenir les Neuroi. Quelques années plus tard, le Major Mio Sakamoto arrive dans l'Empire Fuso à la recherche de Yoshika Miyafuji, une jeune fille avec un formidable pouvoir de guérison. Cette dernière partira pour Britannia, la ligne de front avec les Neuroi.

Comme Strike Witches : 501 Butai Hasshin Shimasu!, cette série suivra la vie quotidienne humoristique des Witches lorsqu'elles ne combattent pas. Cependant, elle se aussi centra sur la 502st Joint Fighter Wing en plus de la 501.