突如發生的月球崩壞事件「Lost Artemis」對地球造成了巨大的破壞。即便在經過100多年的重建曆107年，地球仍然每天都處於隕石落下的威脅之下。在各國紛紛用核導彈迎擊隕石的同時，由於日本堅持非核三原則，他們沒有大規模毀滅性武器。因此，在Lost Artemis事件之後，日本發現的外星物質被用作核心，創造了一個擁有自主意識的巨大機器人，被稱為「iDOL（偶像）」，並投入隕石清理的行動。
通過在東北地區內陸的竹取町舉辦的娛樂選秀活動「偶像大師計畫」的面試，天海春香成功通過，並在前往東京的途中結識了同樣通過偶像大師計畫的萩原雪歩，兩人成為了好朋友。雖然兩人到達東京，卻卷入了由組織Mondenkinto和Turiavita發動的針對iDOL的敵對戰鬥。在這場戰鬥中，春香被Mondenkinto的iDOL「IMBER」救出並受到保護。在那裡，她得知這次選秀活動的目的不是尋找娛樂明星，而是尋找操縱iDOL的「偶像大師」。雖然春香感到震驚，但在之前的戰鬥中得到IMBER的幫助，再次與其相遇後，她最終決定成為偶像大師。
春香與進入同一偶像大師課的雪歩、以及前輩偶像大師水瀨伊織和菊地真一起，通過競爭和對iDOL的看法的差異，經歷了誤會和友誼，完成了偶像大師的使命。與此同時，春香也卷入了與Turiavita為了奪取iDOL而進行的戰鬥。在戰鬥中，春香逐漸確信IMBER擁有像人一樣的心靈，並且與其形成了類似戀人間的羈絆。然而，春香在任務進行中偶然與Turiavita的iDOL「NUBILUM」的偶像大師如月千早相遇。千早曾經是Mondenkinto的成員，是IMBER的主人，對IMBER抱有瘋狂的愛和執著，使春香成為千早強烈嫉妒的對象。
另一方面，由於真對iDOL擁有心靈的想法持否定態度，加上與周圍不和而退出Mondenkinto，轉投Turiavita。伊織在真離開後，與她的iDOL「Nebra」建立更深厚的聯繫。與此同時，春香對IMBER和千早的過去感到困擾，向在東京從事娛樂行業的青梅竹馬高槻和依尋求建議，最終踏入了最初為了上京而來的娛樂生活，但這導致了她與IMBER之間的裂痕。事實上，原來是Turiavita的間諜的雪歩，在背後策劃事態惡化的陰謀。雖然雪歩對她與春香建立的友誼感到後悔，但為了她從小就崇拜的千早，她背叛了Mondenkinto，奪走了IMBER。春香失去了IMBER和對親密友誼的信任，完全迷失了自己，並封閉在自己的房間裡。
使用iDOL進化人類的Turiavita，藉由獲得包括IMBER在內的3台iDOL，正式發動他們的行動。面對釋放被稱為"Auryn"的存在，帶有世界末日風險的行動，Mondenkinto內部爆發了內訌，日本支部和總部之間產生了分歧。然而，在春香的振作和努力下，最終由日本支部主導，堅決對抗Turiavita，並展開了一場動員了雙方實力的對決在東京上空進行。千早、雪歩、真等對抗伊織的Nebra。與此同時，春香冒著生命危險向IMBER告白愛意，成功奪回IMBER，從千早手中。陷入劣勢的Turiavita被逼入絕境，各種陰謀的幕後黑手互相角力，而千早失去IMBER後，獨斷地推進一個冒著生命危險的計策，誘使IMBER出來，並強制進行心靈和身體的融合。雪歩在搭乘Nubiam支援千早的同時，與春香就真愛的真實含義進行爭論，但當千早被IMBER拒絕並自取滅亡時，她喪失了戰鬥意志。解決過去芥蒂的真也離反Turiavita，與伊織聯手。然而，Nubiam在保護春香和雪歩的過程中被Mondenkinto總部的衛星武器"Ulturius"摧毀。
在戰鬥結果中，曾被擔憂的Auryn被釋放，但iDOL們展示出以自我犧牲拯救人類的意願。在經過痛苦的抉擇之後，春香、伊織、真支持iDOL的決定。在最後的任務之前，春香向一直隱瞞自己工作的よい介紹IMBER作為她的伴侶。春香和IMBER互相確認了他們的愛意，但最終春香決定將自己犧牲，IMBER將她送回地球。最終，Auryn的威脅和所有iDOL都消失了，隕石落下的威脅也消失了，因此Mondenkinto也解散了。當春香和其他倖存的Mondenkinto成員踏上各自的未來之際，故事畫下了句點。
