神秘的敌人光柱“皮拉”突然出现在世界上，为了击退敌人，神将战斗少女“女武神”交付给了人类。五年后，世界各地对抗光柱的战争依旧持续着，一名女武神被转调往了日本馆山基地。她就是世上仅有9人的菁英女武神之一，克劳迪娅.布拉福德。一本正经的她，在超乎常理的馆山基地与其他三名问题战斗少女相遇，却无法掩饰内心的不知所措。

前往馆山基地报到的克劳迪娅与六车·宫古、驹込·阿祖祖、渡来・园香等人联手合作，成功击退了皮拉光柱。为了尚未习惯馆山基地自由风气的克劳，宫古提案举行一场“女武神限定的联谊会”。克劳与元气满满的宫古、睡眠不足的阿祖祖、以及不好惹的园香之间的友情也因此更加深厚。与此同时，她们接获情报表示，皮拉光柱出现在馆山基地附近的人工岛“海萤火虫”附近，不少平民因而受困在海萤火虫上。

前往基地道场进行日常训练的克劳，遇见了早她一步进行晨练的宫古。在宫古的陪伴下，克劳体验了馆山基地忙碌的早晨生活，也发现自己越来越融入这里的环境。里见司令也同时赋予克劳等女武神新的任务，要她们前往“海萤火虫”了解被皮拉光柱破坏后的恢复状况，也就是前往进行慰问任务。被任命为慰问部队队长的克劳，在不知所措的情况下和宫古、园香、以及护卫队一同前往了海萤火虫。

馆山市上空突然出现皮拉光柱，女武神们在交战时发现，每当皮拉光柱被击倒，便会马上在其他地点再生，众人因此陷入苦战。正当女武神们受到皮拉光柱牵制，无法返回基地驾驶英灵机反击而感到苦恼之际，她们从护卫队口中得知有条可以通往基地的地下通道存在。但是，她们必须穿过海洋才能抵达地下通道所在之处，为此，女武神们决定换上泳衣朝基地方向前进。

来只会分派至激战区域，身经百战的女武神天冢弥生，为了一项策画多时的机密作战来到了馆山基地。听闻将投入全日本战力的“富士上级皮拉光柱”作战计划而感到讶异阿祖祖与克劳，为了找出大神奥丁背后的真实意图，决定来到其面前与之谈判。另一方面，见到弥生后的园香的行为举止也变得十分奇怪。

奥丁一语成谶，全世界的皮拉光柱进入短暂休眠期，人类进攻位于富士山的上级光柱的反击计划正式开始。以克劳在欧洲时的战友莉兹蓓特和蕾莉为首，来自世界各地的S级女武神纷纷抵达日本，馆山基地全员士气高涨。受到奥丁加护的众人，逐一飞向战场的战士们，在天空等待他们的究竟是？

闯入富士上级皮拉光柱内部的克劳、宫古、阿祖、园香等人，在前方等待她们的是充满谜团的巨人与过去阵亡的战姬们的黑色英灵机体。和过去的伙伴交战而感到困惑与愤怒的女武神们，因日本各地的皮拉光柱开始朝着富士山集结而陷入绝境。此时，过去曾被称之为日本守护者的S级王牌冲田樱的黑色机体现身。

历经惨烈一役后，讨伐富士上级皮拉光柱的作战以失败收场。奥丁生死不明，馆山基地也在敌人逐渐的攻势下沦陷。不过，馆山基地的成员们并没有放弃，为了将基地夺回，宫古再次登上英灵机迎击。阿祖与克劳为了查明暗藏在大神奥丁所留下的话中的“真相”，开启了前往英灵殿的大门。而尚未从弥生战死的打击中站起来的园香，也开始寻求自己能办到的事。

在奥丁居住的英灵殿中，克劳与阿祖发现了神秘的壁画，上面记载着与这场战争的真相有关的线索，为了将这个情报带回基地的他们被古代战士追杀、逼入绝境。为了夺回馆山基地，宫古坐上英灵机进入二级皮拉光柱内部，却陷入苦战。心中的伤口还没复原的园香，为了保护留在地面的人们免于皮拉光柱的攻击，她拼命地寻找活路。

失去活力的克劳等人回到馆山基地，宫古为了让馆山的人们打起精神而展开行动。另一方面，阿祖祖从英灵殿带回的情报中发现，人类已完成奥丁真正的意图，众人寻求各国的协助，希望能“再次进攻‘富士上级皮拉光柱’”。阿祖祖为了这场最后战役，开始全神贯注地拟定作战计划。成功夺回馆山基地的第909战术姬队成员们，从阿祖祖带回的“真相”中受到莫大的冲击。奥丁再度现身于争吵不休的各国首脑面前，并将战斗的动机、战斗的力量以及战斗的敌人等情报交予人类后，正式向人类宣战。阿祖祖与伙伴们废寝忘食地埋首于作战计划中，在分配各自该执行的任务。

再次进攻“富士上级皮拉光柱”的行动正式展开。克劳在梦中与奥丁对峙并拒绝了他的请托，决定与之奋战到底。在皮拉光柱恢复前，人类必须抓紧时间，再次投入国内外所有战力，神与人类壮烈的最后一战正式揭开序幕。就在馆山夏日祭典结束之际，众人准备再次进攻《富士上级皮拉光柱》，负责指挥这场不容失败的作战的里见司令官，做出保存馆山基地王牌战力的决定，并由前次战役中被园香救回的战斗少女新成员胡桃与萌为首展开进攻。在人类的奋战之下，战局依照阿祖祖的计划顺利进行。另一方面，奥丁突然现身在克劳面前，让她看见奥丁已灭绝的故乡景色，同时……

第二次“富士上级皮拉光柱”攻略战终于迎来终局。第909战术姬队的克劳、宫古、阿祖、园香等人，以及馆山基地的战友们，与骑着斯雷普尼尔在战场上现身的奥丁展开对战。克劳的歌声响彻战场的同时，阿祖、宫古、园香等人正向“富士上级皮拉光柱”与雷之巨人索尔进行最终决战。是消灭还是再生？是生还是死？梦想的尽头，少女们的信念与羁绊将接受考验。