雁渊光是扶桑皇国佐世保航空预备学校的学生。她的姊姊雁渊孝美是魔女的精英，也是佐世保的英雄，为了追上姊姊的脚步，这位魔法少女每天努力不懈，今天也在山路上奔跑。某天，父亲工作所在的无线电发讯所收到了一封信讯。“今天下午，第三航空战队会进港。”“三航战……是姊姊！”小光听到高兴得坐都坐不住，立刻飞奔出去了。

1944年9月，第501统合战斗航空团大显身手，击毁占领欧洲高卢共和国的涅洛伊巢穴。人类终于打赢涅洛伊。「接下来轮到我们了。」第502统合战斗航空团「无畏魔女」的队长昆杜菈·拉尔，为了突破东部战线，想出了一条祕策，从扶桑皇国调来一位魔女。

小光决定加入第502统合战斗航空团“无畏魔女”。“想战斗就让自己变强！”在欢迎仪式中，管野直枝少尉一个人对她抱持不满的态度面，而妮卡·爱德华汀·卡塔雅南（妮帕）士官长，却帮她说话，对她非常亲切。小光在502部队所有人的关注之下，接受艾荻塔·珞斯曼士官长的训练，确认她的个性与能力。

为了与圣彼得堡周围的涅洛伊对抗，军方成立了“圣彼得堡军团”。“涅洛伊反抗作战计划”终於开始，现在需要的是“战力”。小光到现在都还是部队的累赘，所以珞斯曼给她一项考验：“一个礼拜之内，要让我准许你出战，否则就请你回扶桑。”只有一个礼拜的缓冲时间，但努力和毅力向来都是小光的优点，她不死心地一直努力。“不试试看怎么知道！”

502部队预测涅洛伊将会前来侵击，而开始将侦察范围，扩大到拉度加湖东北以及彼得罗扎沃茨克周围。小光与负责侦察的下原定子少尉与乔洁特·莱马尔少尉（乔洁）一同前往，但下原与乔洁都有各自的烦恼，而没办法与小光亲近。“已经越过拉度加湖了，集中精神执行任务吧！”然而，到了彼得罗扎沃茨克附近天气却开始急遽恶化，三人陷入暴风雪当中。

今天也惹怒了亚历珊朵拉‧I‧波克尔什金上尉（桑夏），被罚正座。还害桑夏被珞斯曼念了一下。“身为战斗队长，你的力量希望能用在修理机器以外的地方。”“对不起……”妮帕觉得因为自己的关系，害得桑夏道歉又脸上无光，而就在这时候，圣彼得堡郊外的军事哨台受到导弹攻击……。

小光和管野在寒冷的天气中颤抖，妮帕却一个人若无其事的穿着一般衣服。“真、真的好冷，对吧……”“今年是暖冬吗？”“这哪里像暖冬啊！”“真受不了你们这些索穆斯人…”三个人在结冰的河面上滑雪橇玩，但回过神来，眼前竟然是……。

装载了有大规模补给的船队正从不列颠尼亚开往莫曼斯克。502部队收到执行「拉瑟尔休普朗作战计划」的命令，而负责指挥的是沃楚德·库平斯基中尉。“为什么要我指挥，让其他人去不就好了吗？”库平斯基口中虽然抱怨，但还是让珞斯曼所说的好处引诱了。而她选择同行的是管野、妮帕、小光三个人。

管野、妮帕、小光，在技能维持训练中遇到涅洛伊。涅洛伊的强大防御力让她们三人陷入苦战，因此管野使出她最擅长的攻击技能。“剑、一闪！”用她的固有魔法，压缩式的超强硬防御阵打倒了涅洛伊，却因为太过乱来，而使得飞行脚故障而坠落。“管野，给我原地正坐！”结果管野在飞行脚的收纳库仓，让桑夏训了一顿……。

圣彼得堡军团总指挥官来到502部队的基地，并对她们提出──攻略涅洛伊巢穴戈里格里的“芙蕾雅作战计划”。要求第502统合战斗航空团无畏魔女也参加作战计划，但是，他们选择了某人作为作战计划的关键人物。“为了找出核心，已选好一位拥有魔眼的魔女。”

小光在比赛中败下阵来，将转调回当初的派任地点，502部队的成员各自怀着不同的心情送小光离开。“各位，请保重~~！”“小光~~~！”妮帕跑着去追开动的车子，但那身影一下子就消失在远方了。而抵达索穆斯车站的小光，来迎接她的是…

无畏魔女与圣彼得堡军团，因为格里戈里的特性而深陷苦战。“现在…只能用那个技能了！”正当大家不知所措地停在原地时，孝美一个人带着坚定的决心，冲向格里戈里。她全身包围在魔法当中，头发闪耀着鲜红的光辉。“红色的光！姐姐，不可以！”为了阻止孝美，小光冲出火车一路跑向战场。