公元2071年，因遭受突如其來的機械細胞群WORM的襲擊，人類喪失了總人口的1/3。
同2074年，聯合人類均在整個地球範圍內大量使用破壞兵器，以更大的代價換來了全殲WORM的戰果。
接著過去了10年…。
夢想翱翔於藍天的元氣娘櫻野音羽。智商200的天才園宮可憐。年輕的空戰精英一條瑛花。
三名少女來到了橫須賀。
展現在她們眼前的，是建立在推翻迄今為止所有的戰鬥理念基礎上，以全新的設計思想開發而成的新型兵器，SD。
在現在已引退的前機師冬後蒼哉的帶領下，少女們作為SD候補機師的訓練生活開始了。
在訓練中，隨著SD被製造出來的目的逐漸明了，冬後，乃至於音羽她們開始了反抗。
然而，危機也隨之降臨。
彷彿嘲笑復興中的人類一般，10年之後殲WORM捲土重來。
櫻野音羽，園宮可憐，一條瑛花。
翱翔於藍天的少女們…她們的名字叫做天翔少女！
背負起人類的未來與希望，現在，展翅翱翔的時刻已經到來！
西曆2071年，迷之機械細胞群突然開始了世界規模的人類討伐作戰計劃。 2074年，經過長期抗戰之後，處於劣勢的人類動用了最終破壞兵器，為了殲滅敵人，甚至不惜付出犧牲自己國家龐大國土的代價。於是主要大陸被分成了數塊，南極大陸也消失了，地球上的50%以上的陸地被海水所淹沒。大戰經過了十年後……
原本在大戰中受傷而退伍不再當飛行員的冬後大佐，卻突然接到了特殊命令。負責教育駕駛日本海軍機密研發的、匯集了所有最新設計理念的新武器的飛行員們。令人驚訝的是，這三名飛行員候補生都是十幾歲的女孩子。精英軍人家庭中成長的一條瑛花也就算了，看著與戰爭看起來扯不上邊的IQ200的天才少女園宮可憐、以及看起來唯一的優點就是有精神的少女櫻野音羽這兩個人，冬後啞口無言……在嚴酷的訓練中，三人之間的羈絆也越來越深了。