Ryuko Matoi si trasferisce all'accademia Honnouji, un liceo dominato dal suo temibile consiglio studentesco, che indossa potenti ultradivise in grado di dotarlo di poteri sovrumani. In cerca di indizi sull'omicidio di suo padre, Ryuko affronta la presidente del consiglio studentesco, Satsuki Kiryuin, dicendole che sta cercando il proprietario dell'altra metà di un grosso paio di forbici in suo possesso.

Affaticata dalla recente battaglia, Ryuko sviene durante la fuga per poi risvegliarsi a casa Mankanshoku. Di notte Ryuko riflette sull'incontro con l'uniforme, che decide di chiamare Senketsu e che è stata creata da suo padre, Isshin. Il giorno seguente Ryuko si imbatte nel capitano del club di tennis, Omiko Hakodate, che la colpisce via dopo che Senketsu non si attiva.

Aikuro racconta a Ryuko che le ultradivise presentano quelle caratteristiche uniche grazie alla presenza delle biofibre, mentre gli abiti sacri sono uniformi fatte interamente di quel materiale. Spiega anche che Isshin si era affidato a lui per consegnarle Senketsu dopo la sua morte. Nel frattempo Satsuki, frustrata per il fatto che Ryuko ha provato un abito sacro prima di lei, ne indossa uno di nome Junketsu, che era stato conservato dalla sua famiglia.

Mentre Senketsu viene lavato, Ryuko si trova di fronte alla "giornata del niente ritardo", un evento scolastico in cui ogni studente deve raggiungere la scuola in tempo attraversando percorsi pieni di trappole, pena l'espulsione. Lei e Mako si fanno strada attraverso una pista pericolosa insieme alla loro compagna di classe ferita Maiko Ogure, mentre la famiglia di Mako tenta di consegnarle Senketsu.

Un cecchino di nome Tsumugu Kinagase cerca di assassinare Ryuko, ma viene interrotto dal club di giardinaggio, che riesce a sconfiggere con facilità. Dopo aver affrontato il club di biologia, Ryuko viene attaccata da Tsumugu, il quale la blocca a terra e tenta di costringerla a spogliarsi, ma è costretto a ritirarsi dopo che viene fermato da Aikuro. Di notte Aikuro e Tsumugu si incontrato per parlare e Tsumugu spiega che l'abito sacro potrebbe diventare un'enorme minaccia se lasciato andare.

Dopo essere venuta a conoscenza del rapporto tra Tsumugu e Aikuro, Ryuko tenta di fare pressione su quest'ultimo per scoprire più informazioni, ma non riesce ad ottenere nient'altro che il nome della sua organizzazione, i Nudist Beach. Nel frattempo un altro dei quattro leader, Uzu Sanageyama, ottiene il permesso di combattere contro Ryuko da Satsuki, la quale pochi istanti dopo riceve una telefonata da sua madre Ragyo in merito all'abito che non avrebbe dovuto indossare. Il giorno successivo Uzu sfida Ryuko, affrontandola con la sua ultradivisa a tre stelle, la veste della spada. Inizialmente è in vantaggio poiché riesce a prevedere tutte le mosse di Ryuko con la sua vista rapida, ma Ryuko supera questo ostacolo usando parti della sua uniforme per bloccare il suo raggio visivo, sconfiggendolo e distruggendogli l'uniforme. Deciso a non arrendersi, Uzu si sottopone a un'operazione per farsi cucire gli occhi e sfida Ryuko di nuovo, stavolta usando i suoi altri sensi per predire i suoi movimenti e sopraffarla. Tuttavia, prima che possa sferrare il colpo di grazia, la sua ultradivisa si surriscalda non riuscendo a sostenere il suo nuovo potere e dando così l'opportunità a Ryuko di scappare.

Avendo saputo che molti studenti hanno iniziato a creare i propri club in modo da diventare candidati per migliori uniformi, e ottenere così facendo uno stile di vita più alto, Ryuko decide di fondare il club delle mazzate, assegnando a Mako il compito di gestire tutti i documenti e gli incontri in quanto presidentessa. Dato che Ryuko incrementa la reputazione del club sconfiggendo altri presidenti, Mako riesce ad ottenere un'uniforme a una stella, promuovendo la famiglia Mankanshoku a un appartamento migliore. La determinazione di Mako nel preservare la felicità familiare da poco acquisita porta la famiglia a uno stile di vita ancora più lussurioso. Tuttavia mentre Mako diventa più seria riguardo ai suoi compiti come presidentessa del club e gli altri parenti vivono nel lusso, Ryuko comincia a sentirsi sola poiché la famiglia trova sempre meno tempo da spendere insieme. Proprio quando Ryuko decide di lasciare il club delle mazzate, Satsuki assegna un'uniforme a due stelle a Mako, dicendole di sconfiggere Ryuko per mantenere intatta la sua vita agiata. Ryuko si lascia colpire dagli attacchi di Mako, la quale ben presto capisce di essersi comportata in maniera sbagliata e scioglie il club delle mazzate ritornando nei bassifondi. Nel frattempo Satsuki rivela che, sfruttando Ryuko per eliminare i club più deboli, ricostruirà il consiglio studentesco tramite delle elezioni improvvisate.

Satsuki annuncia il suo nuovo sistema elettorale nel quale gli studenti dovranno sopravvivere a una battaglia di sette giorni per distinguersi dalla massa e ottenere le ultradivise, facendo entrare l'intera scuola in uno stato di emergenza. Nel frattempo Ryuko porta Mako alle rovine della sua vecchia casa, dove le racconta le circostanze riguardo alla morte del padre. Non trovando alcun indizio nel seminterrato dove aveva incontrato Senketsu, Ryuko e Mako si dirigono verso casa quando il loro motorino finisce la benzina. Incontrano così Ira che, avendo appena ottenuto la patente, si offre di portarle a una stazione di servizio. Durante il viaggio vengono attaccati dai club dell'automobile e di softair, che mirano all'ultradivisa a tre stelle di Ira, la veste della costrizione. Rammentando il suo primo incontro con Satsuki, Ira libera la sua uniforme, la quale sfrutta il potere del masochismo per evolversi nella veste del flagello e annientare gli avversari. Una settimana dopo inizia lo spareggio tra i sopravvissuti alle elezioni, con vincitori Ryuko e i quattro leader. A questo punto Satsuki sfida Ryuko a sconfiggere ognuno dei quattro leader in cambio dei dettagli sulla morte del padre, tra i quali il primo avversario è Ira.

Mentre Ryuko attende il momento della sua battaglia contro Ira, Aikuro le chiede di ritirarsi dallo scontro, avvertendola di non essere pronta ad affrontare i quattro leader, richiesta che viene naturalmente rifiutata. Poco dopo, la battaglia ha inizio e Ira attiva la sua veste della costrizione per poi attaccarsi da solo in modo da ottenere il potere necessario per trasformarla nella veste del flagello. Ryuko scopre che la veste della costrizione ha anche lo scopo di proteggere le biofibre e che è impossibile danneggiarla senza attivare la veste del flagello. Imperterrita, Ryuko continua ad attaccare, costringendo Ira a liberare il pieno potere della veste del flagello nel tentativo di plasmare con la forza l'avversaria in una studentessa modello. Tuttavia Senketsu mette in atto un piano, facendo tornare Ryuko alla modalità non sincronizzata e facendosi catturare dall'uniforme di Ira per poi distruggerla dall'interno con la sua versione a lame vibranti. Dopo aver vinto lo scontro e aver sconfitto Ira, Ryuko si prepara ad affrontare il suo prossimo avversario, Houka Inumuta.

Houka usa la sua ultradivisa a tre stelle, la veste sonda, per analizzare le abilità di combattimento di Ryuko e anticipare i suoi movimenti. Quando Ryuko contrattacca combattendo a casaccio, Houka ricorre alla sua tecnica di mimetizzazione e la affronta da invisibile. Ryuko allora decide di espandere l'occhio di Senketsu e colpire tutta l'arena dello scontro con una sola mossa, senza lasciargli uno spazio per fuggire. Preferendo non perdere i dati raccolti su Senketsu durante la battaglia, Houka si arrende prima che la sua uniforme venga distrutta. Nonon si fa dunque avanti per affrontare Ryuko con la sua ultradivisa a tre stelle, la veste della sinfonia, un enorme velivolo che attacca con vibrazioni sonore. Nonon tenta di eliminare Ryuko distruggendo l'arena, ma Ryuko attiva una nuova forma aerea di Senketsu, la versione burrasca, per non essere squalificata. Preoccupato dalla velocità con cui Senketsu si sta evolvendo, Aikuro contatta Tsumugu, il quale si precipita all'accademia Honnouji.

Ryuko prova a sfruttare le sue abilità di volo per attaccare Satsuki, ma Nonon la ostacola finché Ryuko non distrugge il suo dirigibile con un suo stesso missile. Tuttavia Nonon esegue un'altra performance liberando la seconda forma della sua uniforme, da capo, usando la musica per disturbare la comunicazione di Ryuko con Senketsu. Ryuko contrattacca manipolando le onde sonore di Nonon in modo da farle combaciare con le sue, per poi rispedirle verso Nonon e sconfiggerla. Nel frattempo Tsumugu spedisce un pericoloso proiettile ad Aikuro, che si prepara ad usarlo su Ryuko qualora fosse necessario. Appena Ryuko e Uzu stanno per cominciare il loro scontro, si intromette tra di loro una misteriosa ragazza che Satsuki riconosce come Nui Harime, la grand couturier della Revocs Corporation posseduta da sua madre, Ragyo. Nui sbroglia subito l'uniforme di Uzu rompendo i suoi fili senzienti, le biofibre che le danno forma. Ricevuto il permesso di combattere contro Ryuko da una Satsuki sconcertata, Nui tira fuori una spada forbice viola e rivela a Ryuko di essere colei che ha ucciso Isshin, mandando Ryuko su tutte le furie.

Mentre Ryuko la attacca furiosamente, Nui rammenta come ha ucciso Isshin col grosso paio di forbici di sua stessa creazione e rubato una delle spade forbice, perdendo tuttavia un occhio. Intanto il sangue bollente di Ryuko dovuto alla sua rabbia crescente ha un effetto avverso su Senketsu, facendolo andare fuori controllo e consumandola, col risultato della costituzione di una forma mostruosa. Mako e la sua famiglia giungono sul luogo per salvare Ryuko dal dissanguamento, mentre Tsumugu prova ad attirare lontano Nui per dare l'opportunità ad Aikuro di usare il proiettile dall'effetto adesivo su Ryuko. Satsuki indossa il suo abito sacro per fermare Ryuko, ma è Mako che riesce con uno schiaffo a farla tornare in sé, salvandole la vita. Irritata dall'interferenza di Nui, Satsuki la bandisce dal terreno scolastico. Pochi giorni dopo, quando Ryuko si riprende dalla battaglia, Satsuki rivela che è stata lei ad ordinare a Nui di rubare le spade forbice da Isshin, per poi affermare che gli scontri di Ryuko con i quattro leader sono stati utili a perfezionare le ultradivise in modo che possano conquistare qualsiasi scuola gli si opponga.

Satsuki prepara un'incursione su Osaka, Kyoto e Kobe, provvedendo gli studenti di nuove ultradivise create in base ai dati raccolti sulle battaglie di Ryuko. Nel frattempo Ryuko continua ad essere di cattivo umore per aver perso il controllo di Senketsu ed è riluttante a rindossarlo. Le si avvicina uno studente sospeso, ex membro del club di giornalismo, di nome Shinjiro Nagita, che la prega di unirsi alla battaglia contro le imprese belliche di Satsuki, ma lei si rifiuta. Il giorno dopo Mako viene incastrata nel viaggio di invasione per aver distribuito clandestinamente il giornalino di Shinjiro. Intanto, incoraggiata da Senketsu, Ryuko lo indossa per aiutare Shinjiro, il quale si rivela essere una Nui mascherata con l'obiettivo di ingannare Ryuko per farle rimettere l'abito sacro. Incapace di combattere a piena potenza per paura di perdere il controllo ancora una volta, Ryuko viene sconfitta da Nui e Senketsu viene fatto a pezzi. Satsuki, dopo aver costretto Nui a ritirarsi, prende tutti i frammenti di Senketsu ad eccezione di uno e li distribuisce agli studenti adeguati per ottenere dati durante il viaggio di incursione.

Dopo essersi risvegliata nel rifugio di Aikuro, Ryuko scopre che la coscienza di Senketsu vive ancora nella sciarpa che è riuscita a tenere stretta. Dopo aver scoperto cos'è successo agli altri pezzi, Ryuko si dirige verso la regione del Kansai, dove Satsuki ha iniziato la sua operazione di incursione. Mentre i quattro leader attaccano le scuole principali nell'area delle tre città, Ryuko interrompe ognuna delle loro invasioni e recupera i frammenti che erano stati dati ad alcuni studenti per aumentare il loro potere prima di raggiungere la sua prossima destinazione, riunendosi alla fine con Mako ad Osaka. Con quasi tutti i pezzi di Senketsu raccolti, Ryuko si prepara ad affrontare Satsuki, la quale possiede il guanto che costituisce l'ultimo frammento.

Satsuki si scontra con il boss avido di denaro di Osaka, Kaneo Takarada, che combatte contro di lei usando la sua tuta robot Dotonbori. Tuttavia viene messo in difficoltà dall'arrivo dei quattro leader e dalle loro nuove ultradivise a tre stelle, per poi essere rapidamente sconfitto da Uzu. Ryuko giunge ben presto sulla scena per affrontare Satsuki con l'aiuto di Aikuro, Tsumugu e l'organizzazione dei Nudist Beach. Mentre i Nudist Beach combattono contro i quattro leader, Ryuko decide di usare la propria pelle come ricambio del guanto in modo da potersi trasformare con Senketsu, recuperando così l'ultimo frammento da Satsuki. Dopo essere stata disarmata della sua spada forbice, Ryuko usa Senketsu per strappare via dalle mani di Satsuki la sua spada, portando lo scontro a un punto morto. Ryuko costringe dunque Satsuki a ritirare le sue truppe invece di uccidersi semplicemente a vicenda, sebbene Satsuki abbia raggiunto comunque il suo obiettivo di distruggere la base dei Nudist Beach. Mentre Satsuki e le sue truppe si allontanano, Aikuro accetta di dire a Ryuko tutto ciò che ha bisogno di sapere.

Satsuki torna alla sua villa per riprendersi dalla battaglia con Ryuko. Impressionata dalla bravura della figlia con Junketsu, Ragyo mostra a Satsuki una camera della villa contenente la biofibra originale, un extraterrestre parassita che produce le altre fibre per nutrirsi degli esseri umani. Dà quindi istruzioni a Satsuki sull'organizzazione di un festival studentesco come passo finale del suo piano per distribuire le covers, un esercito di vestiti fatti di biofibre, in tutto il mondo. Nel frattempo Aikuro e Tsumugu guidano Ryuko e Mako a una sezione intatta della loro base sotterranea. Lì Aikuro rivela che le biofibre sono ciò che ha indotto l'umanità ad evolversi negli Homo sapiens e a provare l'istinto naturale di indossare abiti. Spiega anche che Isshin, colui che ha fondato i Nudist Beach, ha creato Senketsu per farlo indossare da Ryuko, dato che mostra un'alta resistenza alle biofibre, e darle il potere necessario per combattere i Kiryuin una volta arrivata l'ora. Ryuko rimane indignata dal fatto che i Nudist Beach vedano Senketsu come niente più che un'arma e se lo toglie, rifiutandosi di fargli uccidere i suoi stessi simili. Ritenendo non abbiano più alcun valore, Tsumugu si prepara ad eliminare sia Ryuko che Senketsu.

Dopo che Mako e Senketsu prevengono la battaglia tra Ryuko e Tsumugu, Aikuro spiega a Ryuko che la sorella di Tsumugu, Kinue, è morta in un esperimento con le biofibre e che Senketsu è stato fatto con il DNA di Ryuko, ragion per cui lei è la sola che possa indossarlo e comunicarci. Nel frattempo l'accademia Honnouji si prepara per il grande festival della cultura e dello sport per celebrare la visita di Ragyo della scuola. Sapendo che l'evento è in realtà una copertura per un esperimento finale in cui tutta la città di Honnouji verrà concessa in sacrificio alle biofibre, Ryuko e gli altri si dirigono verso l'accademia, dove la cerimonia ha inizio. Mentre Ragyo inizia a far divorare dalle biofibre chiunque presente nello stadio, Ryuko e compagnia arrivano sulla scena. Improvvisamente Satsuki trafigge Ragyo attraverso la schiena e annuncia la sua ribellione contro di lei e le biofibre, rivelando che questo era l'obiettivo per cui aveva creato l'accademia Honnouji.

Una volta liberati tutti gli studenti e cittadini intrappolati dalle biofibre, i quattro leader combattono contro Nui mentre Mako dà una mano con l'evacuazione. Nel frattempo Satsuki rivela come Ragyo l'aveva usata per i suoi esperimenti con le biofibre, così come aveva sfruttato sua sorella neonata, abbandonata da Ragyo dopo aver fallito un test. Tuttavia Ragyo, la quale è in grado di rigenerarsi le ferite, si libera e prende il controllo degli studenti, trasformandoli nel suo esercito personale. Mentre Aikuro e Tsumugu li affrontano, Ragyo assume il controllo di Ryuko, mandandola contro Satsuki, ma Ryuko riesce a riprendersi con la forza di volontà. Subito dopo Ryuko combatte contro Nui mentre Satsuki affronta Ragyo, tagliandole la testa. Tuttavia Ragyo sopravvive grazie a una biofibra rimasta intatta, annientando completamente Satsuki e rubandole Junketsu. Mentre un esercito di covers appare nel cielo, Ragyo estrae il cuore di Ryuko, ricoperto di biofibre, rivelandole di essere la sua presunta figlia deceduta.

Mentre le covers iniziano a rapire i cittadini, Mako inclusa, usando la loro essenza vitale per alimentarsi, Satsuki attiva un'esplosione per far scappare Ryuko. Un mese più tardi i quattro leader si uniscono ai Nudist Beach per combattere contro le covers, che stanno conquistando l'intero Giappone, mentre Ryuko è rimasta in coma sin dalla battaglia. Nel frattempo Satsuki è stata imprigionata da Ragyo, la quale le spiega che suo padre, Soichiro, ha messo in scena la propria morte e si è camuffato da Isshin per crescere Ryuko e preparare la sua vendetta contro di lei. Intanto i quattro leader prendono presto posizione contro le covers usando un nuovo strumento per salvare Mako. Appena le covers cominciano a fare rumori assordanti come meccanismo di difesa, Ryuko si risveglia dal sonno, distruggendole e salvando le persone da loro imprigionate con un solo colpo. Tuttavia si mostra ostile nei confronti di Senketsu, sentendo di essere se stessa un mostro disumano, e afferma che non lo indosserà mai più.

Dei cloni di carta di Ragyo e Nui appaiono davanti a Ryuko, persuadendola a tornare all'accademia Honnouji per affrontarle. Rifiutando qualsiasi aiuto da parte degli altri, Ryuko parte per Honnouji da sola. Dopo aver violato il sistema delle telecamere di sicurezza di Honnouji e aver individuato la posizione di Satsuki, gli alleati di Ryuko capiscono dalle sue azioni che sta pianificando qualcosa. Con la loro determinazione appena rinnovata, si mettono in viaggio sulla nave da guerra Sole nudo di Aikuro e si dirigono verso l'accademia Honnouji per partecipare alla battaglia. Intanto Ryuko arriva sul luogo ed affronta Nui, la quale rivela di avere anche lei un corpo di biofibre. Ragyo la intrappola e la costringe ad indossare Junketsu, che inizia a riscriverle i ricordi per farle credere di essere stata amorevolmente cresciuta da lei sin dalla nascita. Nel frattempo Satsuki fugge dalla prigionia e raggiunge i Nudist Beach sul Sole nudo. Dato che Ryuko, ora vestita con Junketsu, arriva sulla nave per attaccarli, Satsuki indossa Senketsu e si prepara ad affrontarla.

Satsuki e Senketsu danno inizio alla loro battaglia contro Ryuko nel tentativo di riportarla alla ragione, ma vengono ben presto sopraffatti. I quattro leader si uniscono dunque alla battaglia, distraendo Ryuko in modo da dare ad Ira l'opportunità di usare il suo congegno per provare a rimuovere Junketsu. Tuttavia il loro piano viene sventato dall'arrivo di Nui, la quale rivela che ha cucito l'abito sacro alle biofibre di Ryuko e che rimuoverlo con la forza la porterebbe alla morte. Nel frattempo Ragyo torna alla villa Kiryuin e usa il potere delle covers per far volare la biofibra originale. Intanto Mako prova a far ragionare Ryuko, e Senketsu le si mette addosso per proteggerla. Proprio in quel momento Satsuki riesce a creare un'apertura per far entrare Mako e Senketsu nel corpo di Ryuko, dove le loro parole riescono a raggiungerla facendola rinsavire e permettendole di liberarsi da Junketsu.

Ryuko si riunisce con Senketsu e combatte contro Nui, recuperando entrambe le spade forbice ed usandole per distruggerle le braccia. Mentre Nui viene salvata da Rei Hououmaru, ossia la segretaria di Ragyo, i quattro leader e i Nudist Beach approfittano delle covers impiegate per la sua fuga per recuperare alleati e biofibre. Successivamente Satsuki permette a Ryuko di darle un pugno in segno di penitenza per averla manipolata, ma i quattro leader ostacolano i suoi colpi. Rendendosi conto che Satsuki ha degli amici che la supportano proprio come lei, Ryuko accetta le sue scuse e le consente di combattere al suo fianco. Dopo una festa di riconciliazione, Satsuki spiega che il piano di Ragyo per la conquista del mondo prevede il collegamento della biofibra originale con il satellite sull'accademia Honnouji, facendo diventare così ogni essere umano un essere di biofibra. Mentre Ryuko e Satsuki si allontanano insieme per confrontarsi con Ragyo, Mako, equipaggiata con una nuova ultradivisa, rimane indietro con gli altri per difendere il Sole nudo da una covers dalla taglia enorme.

Ryuko e Satsuki raggiungono la biofibra originale per affrontare Ragyo, la quale brandisce delle lame che si rivelano resistenti persino alle loro armi. Nel frattempo dato che Mako sconfigge facilmente le covers sul Sole nudo, la biofibra originale cambia direzione per attaccare la nave, ma i quattro leader entrano in scena dotati di nuove ultradivise per assisterla. Intanto nel corso della battaglia, Ragyo taglia il corpo di Ryuko in due, però ben presto si scopre essere tutto un piano di Ryuko per farla distrarre da Satsuki, in modo tale da rigenerarsi nell'oceano e mirare alla biofibra. Riesce poi a tagliare il nucleo della biofibra e a farla crollare, spronata dall'arrivo di Mako, che usa la sua incredibile forza di volontà, insieme all'aiuto degli altri studenti di Honnouji, per lanciare il Sole nudo sotto forma di gigantesco pugnale verso la biofibra. Tuttavia Nui finisce le preparazioni per l'abito sacro definitivo di Ragyo, Shinra Koketsu, che assorbe Rei per attivarsi. Ryuko e gli altri si preparano dunque per la battaglia finale.

Ragyo sfrutta i poteri di Shinra Koketsu per negare gli effetti di qualsiasi abito sacro e ultradivisa. Subito dopo rianima la biofibra originale per farla fondere con tutti i presenti, ma Senketsu, rivelandosi immune alla tecnica nemica, riesce a buttare Rei fuori da Koketsu e ripristina i poteri degli altri. Mentre i quattro leader e i Nudist Beach colgono l'occasione per distruggere il collegamento tra il terminale terrestre ed il satellite, Ryuko e Satsuki infliggono un duro colpo a Ragyo. Tuttavia Nui si fonde con la biofibra originale e si unisce a Ragyo, consentendole così di lanciarsi nello spazio ed attivare il satellite manualmente. Mentre il pianeta viene racchiuso in un bozzolo di biofibra, Ryuko assorbe tutte le ultradivise dei suoi alleati per formare Senketsu-Kisaragi ed affrontare Ragyo, facendosi colpire di proposito dai suoi attacchi in modo da fornire a Senketsu il potere necessario per assorbire Koketsu ed eliminare tutte le biofibre. Dopo che Ragyo, incapace di accettare la sconfitta, pone fine alla sua vita, Senketsu usa le sue ultime forze per riportare Ryuko sana e salva sulla Terra, dove si riunisce con amici e famiglia. In un mondo dove ormai si è liberi di indossare i vestiti che si vuole, Ryuko inizia una nuova vita con Mako e Satsuki.