《天翔乙女》讲述西历2071年，迷之机械细胞群突然开始了世界规模的人类讨伐作战计划。2074年，经过长期抗战之后，处于劣势的人类动用了最终破坏兵器。为了歼灭敌人，甚至不惜付出牺牲自己国家庞大国土的代价。于是主要大陆被分成了数块，南极大陆也消失了，地球上的50%以上的陆地被海水所淹没。大战经过了十年后……原本在大战中受伤而退伍不再当飞行员的冬后大佐，却突然接到了特殊命令，他被授命负责教育驾驶日本海军机密研发的，汇集了所有最新设计理念的新武器的飞行员们。令人惊讶的是，这三名飞行员候补生都是十几岁的女孩子。精英军人家庭中成长的一条瑛花也就算了，看着与战争看起来扯不上边的IQ200的天才少女园宫可怜，以及看起来唯一的优点就是有精神的少女樱野音羽这两个人，令冬后哑口无言……