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扶桑国佐世保航空予備学校に通う生徒・雁淵ひかり。 エリートウィッチで佐世保の英雄でもある姉・雁淵孝美に少しでも追いつくため、 日々努力を重ねる魔法少女は今日も一人山道を走っていた。 そんなある日、父の務める無線発信所に一報の電信が届く 「今日の午後、第三航空戦隊が入港する」 「三航戦・・・お姉ちゃんだ！」 喜ぶひかりは居ても立ってもいられず、その場を飛び出すのだった。

1944年9月、欧州ガリア共和国を占領していたネウロイの巣は、第501統合戦闘航空団 『ストライクウィッチーズ』の活躍により撃破された。 人はネウロイに勝つことが出来る。 「次は我々の番だ」 第502統合戦闘航空団『ブレイブウィッチーズ』隊長、グンドュラ・ラル少佐は、 東部戦線を打破する為の秘策として、扶桑皇国から一人のウィッチを呼ぶ。

第502統合戦闘航空団『ブレイブウィッチーズ』に入隊が決まったひかり。 「戦いたければ、強くなれ！」 歓迎ムードの中、一人不満な態度を向ける扶桑ウィッチの管野直枝少尉と、その間を取り持ち優しく接してくれるニッカ・エドワーディン・カタヤイネン曹長（ニパ）。 502部隊全員が注目する中、ひかりは適性能力を量るためにエディータ・ロスマン曹長の訓練を受けることとなった。

ペテルブルグ周辺のネウロイに対抗する為、新たに『ペテルブルグ軍集団』結成された。 いよいよ始まる『ネウロイ反抗作戦』、今必要なのは“戦力”である。 いまだ部隊のお荷物であるひかりはロスマンから一つの課題を課せられる。 「一週間の間に、私から出撃許可を得なければ国に帰ってもらいます」 僅か一週間の猶予、しかし努力と根性が取り柄のひかりは諦めず直向きに頑張る。 「やってみなくちゃ、わかんない！」

ネウロイの侵攻が予想される中、ラドガ湖北東のペトロザヴォーツク周辺まで 偵察範囲を広げる502部隊。 偵察当番の下原定子少尉とジョーゼット・ルマール少尉（ジョゼ）に同行するひかりだが、 下原とジョゼはそれぞれに悩みを抱えており、ひかりとうまく打ち解けない様子。 「ラドカ湖を超えたわ、任務に集中しましょう」 しかし、ペトロザヴォーツク付近で急激に天候が悪化し吹雪に見舞われる3人であった。

相変わらずの不幸体質でユニットを壊しているニパ。 今日もアレクサンドラ・I・ポクルイーシキン大尉（サーシャ）に怒られ正座を強要される。 ロスマンに小言を言われてしまう。 「戦闘隊長のあなたの力は、できれば修理以外で活用してほしいものね」 「…すみません」 自分のせいで謝るサーシャに肩身が狭いニパであったが、そんな折ペテルブルグ郊外軍監視所が砲撃を受ける。

12月下旬、オラーシャ帝国ペテルブルグ基地周辺は川も凍るほどの寒さである。 ひかりと管野が寒さに震える中、一人普段着で平然としているニパ。 「さ、寒いですね…」 「今年は温暖かな？」 「どこが温暖だ！？これだからスオムス人は…」 3人は凍ったネヴァ川の氷上でソリ遊びを行うが、気が付くと目の前には…。

ブリタニアからムルマンに大規模な補給船団が向っていた。 502部隊に船団護衛の『ラッセルシュプラング作戦』が命じられるが、 護衛隊の指揮をとるのは、ヴァルトルート・クルピンスキー中尉。 「えーなんで僕なの。他の子が行けばいいんじゃないかな～」 文句を言いつつもロスマンに丸め込まれたクルピンスキー。 そして彼女に選出されたのは、管野、ニパ、ひかりの3人であった。

慣熟訓練中にネウロイに襲われる管野、ニパ、ひかり。 固いネウロイに苦戦する3人だったが、管野は得意のドッグファイトを仕掛ける。 「剣、一閃！」 固有魔法の圧縮式超硬度防御魔方陣でネウロイを殴り倒したが、無茶のし過ぎで ストライカーユニットが故障し墜落する。 「管野さんはそこに正座！」 格納庫でサーシャに絞られる管野であったが…。

基地にやってきたペテルブルグ軍集団・総司令官のマンシュタイン元帥の口からもたらされたのは、 ネウロイの巣・グリゴーリ攻略―――『フレイアー作戦』。 第502統合戦闘航空団ブレイブウィッチーズにも作戦参加の要請が伝えられるが、 作戦の要としてある人物が選ばれていた。 「コア発見のため、魔眼持ちのウィッチもすでに選定済みである」

勝負に負けたひかりは当初の配属先に配置転換となる。 502部隊のメンバーはそれぞれの気持ちを持ってひかりを送り出すのであった。 「みなさん、お元気で～～！」 「ひかりっ～～～！」 走り出す車を思わず追いかけるニパ、しかしその姿はあっという間に見えなくなる。 そしてスオムス駅に付いたひかりを迎えに来たのは…

グリゴーリの特性に大苦戦するブレイブウィッチーズとペテルブルグ軍集団。 「もう、あれを・・・あの技を使うしかない！」 強い決意を宿し、皆の静止を振り切って一人グリゴーリに突っ込んでいく孝美。 その全身が魔法力に包まれ、髪が真っ赤に輝く。 「あの光！ダメ、お姉ちゃん！」 孝美を止めるため、ひかりは列車を飛び出し作戦現場に向ってひたすら走るのであった。