源内苍（日笠阳子配音）是一名十分平凡的高中一年级女生，一天，她收到了一个神秘的包裹，拆开了包装，出现在小苍面前的，是名叫“FrameArmsGirl”的小型机器人轰雷（佳穗成美配音）。轰雷可不是一般的机器人，她拥有着自我的意识，能够通过学习人类的感情与战斗方式而不断地自我进化，就这样，小苍和轰雷的同居生活拉开了帷幕。除了轰雷外，还存在着别的机甲少女。个性十分傲娇的短剑（绫濑有配音）、性格单纯但拥有着广袤的知识的闪燕（长江里加配音）、行事大大咧咧但充满了正义感的迅雷（桦山南配音）、没有一丝感情沉默寡言的骨姬（山村响配音），在轰雷之后，她们接二连三的出现在了小苍的身边。

电视动画《梦幻之星Online2》根据世嘉游戏开发的同名网络游戏改编。《PSO2》动画化的消息于2015年7月12日举办的现场活动中发表。动画版的故事将是完全原创，以近未来的地球为舞台，也可说是《PSO2》玩家们的故事。动画2016年1月份开始依序在TBS、BS-TBS等频道播映。