来到咲钟湖学园读书的阿佐谷未乃爱，虽然对动画的了解不多，但因对一部动画的执念引起了同班同学上井草有栖的兴趣。放学后二人误打误撞地进入了已经停止活动的动画研究部，并最终决定共同召集成员，重新组建动画研究部。在清理乱糟糟的仓库时，未乃爱意外地发现了一只会说话的猫咪。

为了招募新成员成立动画研究部，未乃爱在有栖的带领下穿着兔女郎服装散发传单，果然引起了很多人的注意。同班的高园寺美子、三年级的学姐青山绘里香、中二病晚期的武藏境块以及在年级饱受欢迎的中野光辉先后加入社团。正当众人以为终于凑够六人可以成立研究社时，突然从门外冲进来几个学生会的人拿着通知单，告诉他们学生会将无限期地禁止动画研究部使用活动室。

面对学生会禁止动画研究部使用活动室的通知，众人感到十分沮丧，于是绘里香提议大家一起去秋叶原。在秋叶原浓厚的二次元氛围中，众人彼此之间默默的增进了交流和感情。五门老师告诉未乃爱等人要在临时学生总会上进行演讲，若不能取得众人的认可则要废部。演讲当日，未乃爱因过度紧张使得场面一度陷入尴尬，情急之下块块挺身而出进行了激烈精彩的演讲，博得了众人的一致认可，动画研究部终于得以成立。

有栖用高额的部费购买了许多动画光碟，这一举动引起了一直想找茬的学生会的注意，并以此要挟动画研究部无偿帮助其他社团。为了避免研究部再度陷入废部危机，成员们纷纷行动，然而效果却不尽人意。正当成员们一筹莫展时，戏剧部委托众人制作话剧演出服装。在大家的共同努力下终于完美地制作出服装，话剧演出也因此获得一致好评，废部危机再次得以化解，而绘里香与学生会会长椿之间的往事也渐渐浮出水面。

关于同好会暑假期间的活动，众人一致决定去夏日动漫展会。第一次参加展会的未乃爱感到十分新奇和紧张，为此做足了功课和准备。展会当日因参加活动的人数过多，未乃爱和有栖一不小心迷了路，恰好结识了从中国来参加展会的贝贝。同样爱好动画的贝贝很快和大家成为了朋友，众人一起在展会中度过了愉快的一天。

同好会众人相约参加圣地巡礼，一起搭上列车开启合宿之旅。因为之前与美子的邂逅，一路上胡思乱想的块块显得十分不自然。不料这一切却被未乃爱误以为块块是在讨厌自己，并认为自己给大家增添了麻烦。到了酒店后，准备去泡澡的未乃爱迷失在了森林中，众人一起出动寻找迷路的未乃爱，并解开了她的心结。块块也最终鼓起勇气向美子告白，却阴差阳错惨遭美子的误会，令他感到十分无奈。

绘里香提交了动画研究部的学园祭发表内容，希望在学园祭上开展动画放映会。然而上报的活动却遭到了学生会一众的强烈反对，并威胁他们若想不出别的点子就废部。在未乃爱的提议下，大家决定共同制作原创动画。正当制作动画的进度接近尾声时，学生会会长椿却再次发难，令众人的计划再次陷入困境。

原创动画制作因学生会的刁难再一次陷入瓶颈，但这次众人没有轻言放弃，而是互相配合共同完成了动画的最终制作。面对学生会无理的要求，未乃爱提议通过开展社团动画讨论会招揽观众，成员们纷纷响应。在大家的共同努力下，活动成功吸引了众多观众，原创动画也在一片好评声中顺利播放完毕。

学院祭舞台的大获成功，使得动画研究部一跃成为许多社团咨询的对象，更有电视台来到学校对研究部进行了采访。采访结束后，电视台的工作人员私下给五门老师塞谢礼，本想拒绝的五门老师在中野的劝说下收下了谢礼。第二天，学生会又一次来到研究部通知大家废社，习以为常的众人并没有放在心上，然而这一次却是校长亲自出马，声称不仅废社更要将五门老师停职，这一切究竟是怎么回事？

在校长的干涉下，动画研究部最终难逃废部的命运，此举引起了众多学生的不满，大家纷纷涌向校长办公室，请求取消废除动画研究部的决定。在猫咪前辈的带领下，未乃爱通过暗门进入了校长办公室，在与校长进行了激烈的交流后，未乃爱发现原来校长曾经是某动画的制作导演，却因动画播出不成功而陷入了自我怀疑与厌恶动画之中，众人究竟能否帮助校长打开心扉？

未乃爱突然会看到一些很奇怪的东西，家人与朋友的脸在她眼中也时而会发生变化。她感到十分困惑，但众人以为她只是过度劳累，未乃爱感到十分委屈，在操场和众人就动画与现实大吵了一架，大家不欢而散。无助的未乃爱向中野前辈倾诉了自己的苦恼，在中野前辈的带领下，她来到研究部打开了那扇一直紧闭的门。然而就在门打开的一瞬间，整个世界发生了天翻地覆的改变。

恢复意识的未乃爱发现自己重新回到了教室，一切好像和往日并没有什么不同，但敏锐的她马上发现自己并未脱离动画世界。朋友的远离和家人的冷漠围绕着未乃爱，但她不愿向虚拟世界的感情妥协，最终没有被动画所吞噬。未乃爱从猫咪前辈口中得知，有一顶贝雷帽是连接动画世界与现实世界的力量之源，只要得到它一切就能恢复原样，二人能否找回遗失的贝雷帽？