突如として発生した月の崩壊「ロストアルテミス」により、地球は甚大な被害を被った。それから100余年が経過した復興暦107年においても、地球は日夜隕石落下の脅威に晒されていた。世界各国が隕石を核ミサイルで迎撃する中、非核三原則によって大量破壊兵器を保有していない日本では、ロストアルテミス後に発見された地球外物質をコアとする、それ自身が意思を持った巨大ロボット「iDOL（アイドル）」が隕石除去のために活躍していた。
東北地方の内陸部にある竹取町で開催された芸能オーディション「アイドルマスター・プロジェクト」に合格した天海春香は、東京への旅路で同じくアイドルマスター・プロジェクトに合格したという萩原雪歩と出会い親しくなる。東京にたどり着いた2人であったが、そこで彼女らはiDOLを巡って敵対する組織であるモンデンキントとトゥリアビータの戦闘に巻き込まれてしまう。自律的に起動したモンデンキントのiDOL「インベル」に窮地を救われ、モンデンキントに保護された春香は、そこでオーディションが芸能人ではなく、iDOLの操縦者である「アイドルマスター」を探すためのものであったことを明かされ呆気にとられる。しかし先の戦闘で自分を助けてくれたインベルと格納庫で再会した春香は、逡巡の末にアイドルマスターとなることを決意する。
春香は同じアイドルマスター課に入った雪歩や、先輩アイドルマスターの水瀬伊織・菊地真らとともに、ライバル意識やiDOLに対する考え方の違いによるすれ違い、そして友情を経験しつつも、アイドルマスターとしての任務をこなしていく。一方で春香は、iDOLの奪取を狙ってモンデンキントに挑んでくるトゥリアビータとの戦いにも巻き込まれていく。戦闘の中で春香はインベルに人間のような心があることを確信するようになり、恋人同士の絆のようなもので結ばれていくが、そんな春香は任務の途中で偶然にも、トゥリアビータに所属するiDOL「ヌービアム」のアイドルマスター・如月千早と遭遇する。かつてモンデンキントに所属しインベルのマスターであった過去を持つ千早は、インベルに対して狂気じみた愛情や執着心を抱いており、春香は千早からの激しい嫉妬の感情を向けられることになる。
一方、過去の経緯からiDOLが心を持つことに対して否定的な感情を抱いていた真は、周囲との不和が高じてモンデンキントを脱退し、トゥリアビータへと移籍してしまう。伊織はアイドルマスターの座を巡って競合していた真が去ったことを機に、乗機のiDOL「ネーブラ」と絆を深めていく。その頃インベルと千早の過去を気にしていた春香は、東京で芸能人をしている幼馴染の高槻やよいに相談を持ちかけたことをきっかけに、当初の上京目的だった芸能生活に足を踏み入れるが、このことはインベルとの間に溝を作る結果となってしまう。そして、実はトゥリアビータのスパイであった雪歩は水面下で事態の悪化を画策していた。雪歩は春香と築いた友情に後ろ髪を引かれつつも、幼い頃から慕っていた千早のためにモンデンキントを裏切り、春香からインベルを奪取する。インベルを奪われ親友として信頼していた雪歩にも裏切られた春香は、完全に自分を見失い、自室に閉じこもってしまう。
iDOLを用いた人類進化を目論むトゥリアビータは、インベルを含む3体のiDOLを獲得したことで本格的に決起する。「アウリン」と呼ばれる存在を解放させるという、世界滅亡のリスクを抱えたその行為を前にして、モンデンキントでは対応を巡り、本部と日本支部の間で内紛が発生する。しかし立ち直った春香の奮起もあり、最終的にトゥリアビータとの徹底抗戦を是とする日本支部側が主導権を得たことで、双方の戦力を総動員した対決が東京上空において展開される。千早・雪歩・真らを相手に伊織のネーブラが奮戦する一方、春香は命懸けでインベルに愛を告白し、千早からインベルを奪還する。劣勢に転じたトゥリアビータが追い詰められ、様々な思惑を持った黒幕たちが抗争を繰り広げる中、インベルを奪われた千早は、インベルを誘い出して心身を強制的に融合させるという命懸けの策略を独断で進める。雪歩は千早を支援するためヌービアムに搭乗して戦いつつ、真実の愛のありかたを巡って春香と論争を繰り広げるが、千早がインベルに拒絶されて自滅し落命するのを目撃し戦意を喪失する。過去のわだかまりを解消した真もトゥリアビータを離反し伊織と共闘する。ヌービアムは春香と雪歩を庇う形でモンデンキント本部の衛星兵器「ウルトゥリウス」によって破壊される。
戦いの結果、かねてより危惧されていたアウリンの解放が発生してしまうが、iDOLたちは自己犠牲により人類を救う意思を示し、苦渋の決断の末に、春香、伊織、真はその決断を是としてiDOLを支援する。最後のミッションを前に、春香は今まで自分の仕事を伏せていたやよいに対し、インベルを自分の交際相手として紹介する。春香とインベルは互いの愛を確かめ合うが、最後に共に犠牲になろうとした春香をインベルは地球へ送り返した。最終的にアウリンの脅威とすべてのiDOLは消失し、隕石落下の脅威も無くなったことでモンデンキントも解散となる。春香ら生き残ったモンデンキント関係者がそれぞれの未来へと歩き出したところで、物語は幕を下ろす。
