故事發生在虛構的城市空崎市，在那里，存在著一支由身手矯健的少女們所組成的特工組織“月影”，每天入夜，少女們的身影便會在月亮的映照下穿梭在城市的角角落落，守護這座城市與市民們的安全。犯罪組織“魍魎”一直對空崎市虎視眈眈，屢屢進犯，他們是月影最大也是最難對付的對手。
源桃（安齋由香里 配音）是一名高中二年級的學生，本來 平凡無異的她，憑借著自己的特殊能力，在機緣巧合之下加入了月影。在那里，她結識了個性認真嚴謹的半藏門雪（沼倉愛美 配音）、積極向上的相模楓（藤田茜 配音）和桀驁不馴古靈精怪的八千代命（洲崎綾 配音）等人。