《最终兵器少女》故事围绕着高中生真岛和哉展开。和哉在学校里是个平凡且常被欺负的学生，一次偶然机会，他遇到了少女千濑。千濑其实是被军方改造的最终兵器，拥有强大的战斗能力，但心智如同孩童。和哉与千濑相遇后，两人逐渐产生羁绊，和哉开始保护千濑，带她感受普通人的生活。然而，军方不会轻易放弃千濑这一强大兵器，不断派人来带走她。在一次次与军方的对抗中，和哉和千濑的感情愈发深厚，他们共同面对危险，努力在这个复杂的世界中生存，谱写了一段充满温情与惊险的故事。