Das Mädchen Yoshika Miyafuji besitzt magische Heilkräfte und soll deswegen von Major Mio Sakamoto für die Einheit der Strike Witches rekrutiert werden, die gegen die außerirdischen Neuroi kämpfen. Yoshika lehnt ab, da sie gegen Krieg ist. Als sie einen Brief mit einem Bild von ihrem verstorbenen Vater und Mio erhält, willigt sie doch ein. Dann werden sie plötzlich angegriffen...

Das Schiff von Yoshika und Mio ist weiter unter Beschuss. Da die Verstärkung zu spät eintreffen wird, fasst sich Yoshika ein Herz, springt in die Striker Unit und unterstützt Mio im Kampf. Zusammen schaffen sie es, die Neuroi zurückzuhalten, bis die Verstärkung eintrifft. Durch den Anblick des Grabes ihres Vaters so stark berührt, entscheidet sich Yoshika eine Strike Wicht zu werden...

Yoshika beginnt ihre Ausbildung bei den Strike Witches. Sie wird als Sergeant eingestuft und mit Lynne Bishop, einem anderen Neuling, zusammengetan. Die beiden trainieren täglich gemeinsam. Lynne fühlt sich Yoshika unterlegen, weil sie ihre Fähigkeiten nur im Training und nie im Kampf einsetzen kann. Als der Feind unerwartet zuschlägt, tun sich die beiden zusammen und besiegen so die Neuroi.

Yoshika ist durch die aggressive Art von Lieutenant Barkhorn verunsichert. Yoshika erinnert sie an ihre kleine Schwester, die seit einem Neuroi Angriff traumatisiert ist und sie gibt sich selbst die Schuld dafür. Bei einem Angriff wird Barkhorn lebensgefährlich verletzt, doch nachdem Yoshika sie mit ihrer Magie rettet, besiegt sie die Angreifer und besucht zum ersten Mal wieder ihre Schwester.

Als Geschwindigkeits-Junkie ist es Shirleys Ziel, mit Schallgeschwindigkeit zu fliegen, weshalb sie in jeder freien Minute an ihrer Striker Unit tüftelt. Als Francesca ausversehen Shirleys Unit umwirft und sie zerfällt, baut sie sie heimlich wieder zusammen. Bei einem Angriff der Neuroi, mit einem ultraschnellen Schiff, schafft sie es endlich, mit MACH 1 zu fliegen und den Feind zu besiegen.

Da die Angriffe der Neuroi immer unberechenbarer werden, werden Yoshika und Eila der Nachtwache zugeteilt, die Sanya bisher immer allein geflogen ist. Eines Nachts tauch ein Neuroi auf, der Sanyas Gesang imitiert, was zu Verwirrungen führt, da ein Neuroi so etwas noch nie gemacht hat. Zusammen schaffen die drei den Gegner zu vernichten...

Am Tag ihrer Ordensverleihung kann Erika ihr Höschen nicht finden. Deshalb schnappt sie sich das von Francesca. Diese stiehlt darauf das Hösschen von Perinne, welche wiederum Yoshikas nehmen will, dabei jedoch erwischt wird. Als Francesca für schuldig befunden wird, wird sie durch die ganze Basis gejagt, bis Erika sie stoppt. Bei der Zeremonie kommt dann aber doch die Wahrheit heraus...

Minna hat allen, die auf der Basis arbeiten, verboten, Kontakt zu den Witches zu haben. Als ein Matrose der Akagi dort auftaucht und Yoshika einen Dankesbrief übergeben will, wird Minna richtig sauer und unterbindet das. Wie sich herausstellt, hat sie am Anfang des Krieges ihren Geliebten (Burg) verloren und hat bis heute Angst, dass sie nochmal jemanden verlieren könnte, der ihr nahesteht...

Obwohl sie immer wieder bewusstlos wird, nutzt Yoshika alle ihre Heilmagie, um Mio zu retten. Als der Neuroi wieder Kontakt mit ihr aufnimmt, folgt sie ihm in das zentrale Schiff und erfährt, dass das Militär mit einem Neuroi experimentiert. Plötzlich taucht ein Mech auf, der das Schiff problemlos vernichtet. Zurück an der Basis werden die Witches festgenommen...

General Maloney übernimmt die Kontrolle über die Basis und schickt alle Witches zurück in ihre Heimatländer, da sie durch den Warlock ersetzt werden. Als dieser Gallia befreien soll, scheint es zunächst ein Erfolg zu werden, doch dann beginnt er alles anzugreifen, was er sieht. Als er die Akagi angreift, holt Mio ihre versteckte Striker Unit hervor und Yoshika zieht in den Kampf...

Während Yoshika in den Kampf zieht, erlangt die Gruppe um Minna die Kontrolle über die Basis. Gemeinsam besiegen die Witches den Warlock, doch dieser vereinigt er sich mit der Akagi. Yoshika, Lynne und Perrine schaffen es ihn zu zerstören und Gallia zu befreien. Die Einheit wird darauf aufgelöst und alle kehren in ihre Heimat zurück. Sechs Monate später bekommt Yoshika plötzlich Besuch.