對萬物都充滿了好奇心的箕作沙沙芽（高橋花林配音）、對美食充滿熱愛的西尾未來（岡咲美保配音）、擁有超高智商的天才少女雪野日陽（大野柚布子配音）、性格大大咧咧對什么都不在意的具志堅修普（島袋美由利配音），這些女孩們隸屬于一個名叫"音樂少女"的偶像團體。身為制作人的池橋大輝（平川大輔配音）雖盡心投入工作，但團體持續面臨人氣低迷與公司赤字困境。為突破現狀，大輝決定啟動新成員招募計劃，在公開試鏡中發掘了充滿神秘感的山田木花子（深川芹亞配音）。隨著新成員加入，團隊開始嘗試音樂風格與表演形式的革新，在堅持偶像信念的過程中逐步獲得觀眾認可，最終通過組合成員間的默契配合與個人魅力展現，在競爭激烈的偶像市場中確立了獨特地位。