《仰望天空的少女瞳中映照的世界》故事围绕着少女神无月葵展开。葵拥有特殊能力，能与名为“星之巨神”的巨大机器人产生共鸣。在她生活的世界里，突然出现了神秘的敌人“诺鲁”，不断对人类发起攻击。葵所在的学校也被卷入这场危机，她与好友们一起，在学校的屋顶发现了星之巨神。此后，葵等人驾驶着星之巨神与诺鲁展开战斗。在战斗过程中，葵逐渐了解到自己能力的真相以及这个世界背后隐藏的秘密。她和伙伴们不仅要面对强大的敌人，还要处理彼此之间的情感纠葛和成长的烦恼，共同为守护世界而努力。