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阿佐ヶ谷みのあは私立咲鐘湖（さかねこ）学園高校の1年生。なぜかいつも夢に見るアニメの話を友人の小幡唯にしたところ、聞き耳を立てていたお嬢様同級生・上井草アリスから放課後呼び出しを受けてしまった。近寄りがたいアリスからの呼び出しに不安がるみのあ。 その不安はある意味的中し、とんでもないことに巻き込まれてしまうのだった。

早朝、校門前にてアニメ研究部の部員募集チラシを配るみのあとアリス。昼休みに部室に行くとそこにはクラスメイト・高円寺みこの姿が。ライトノベルが原作のアニメが好きだというみこと、アリスは意見の不一致から喧嘩になりそうなところをみのあの熱い語りがその場を収める。 エリカ、塊、光輝も加わりアニメ研究部がスタートするはずが―。

生徒会長ツバキの命令で部室を失ったアニ研部員たちは、エリカの提案で秋葉原に遊びに行くことに。コスプレショップ、アニメショップを巡りながらアニメガタリをする部員たち。皆の知識に圧倒されながらも楽しむみのあだったが、皆で語り合う場所――部室を取り戻すために一念発起する。

アリスが大量のアニメＢＤ購入に部費を使い込んだのが生徒会にばれて、またも廃部の危機が訪れる。部活の存在意義を証明するためアニ研部員たちは他の部活動に助っ人として参加するも失敗ばかり。途方に暮れる部員たちだったが、彼らを救うヒントになるのはやはりアニメだった。 執拗にアニ研を廃部にしたいツバキは、部長エリカと、過去に何があったのだろうか…。

アニ研部員たちで夏のアニメイベントに行くことに。多くの人が詰めかけ、会場にたどり着くだけでも大変な状態の中、仲間とはぐれたみのあたちは北京からの留学生 楊貝貝（ヤンベイベー）に助けられる。 アニメが世界を繋げるきっかけになっていることを知るアニ研部員たち。

アニメと言えば温泉回。ご多分に漏れることなくアニメ聖地巡礼の旅行へと行くことになったアニ研部員たちだが、塊は先日からの思わせぶりなみこの態度が気になり巡礼などどこか上の空。心中穏やかではないまま向かった宿泊先にて、みこから送られたメッセージに人生初のラブシグナルを受信、恋の獣と変貌する。

あれこれ企画段階の夢物語を話している時が一番楽しいのはアニメ制作においても例外ではない。生徒会から学園祭でアニ研らしい発表をしないと廃部にする、と理不尽な勧告をされたアニ研部員たち。皆でアイデアを出し合ったがまとまらず、みのあの発案でアニメを作ることにするが、アニメ制作はそんなに楽じゃない―。

アニメ制作の遅れ、意見の対立、人員の離脱。まるでアニメスタジオのような事態に陥るアニ研部員であったが、ようやく完成の目処もついた頃、またもや生徒会の妨害を受ける。生徒会が追加で出してきた部活存続のための条件とは、巨大な特設ステージを観客でいっぱいにすることであった。

学園祭の打ち上げ中、浮かない様子の唯。部活の悩みがあるという唯にみのあたちはアニメを薦める。後日、アニメによって悩みを解決できたと唯から感謝され、それを聞きつけた他の部活の部員たちがアニ研に殺到するが―。

アニ研を潰そうと生徒会を動かしていたのは何を隠そう学園長の荻窪であった。アニ研廃部撤回を直談判しに行くみのあ。一方アニ研部員は、閉ざされた学園長室のドアを開けるため、パスワードのヒントを探すことになる。 ようやく、みのあの夢に出てきたアニメの秘密が明かされるのだろうか?

時は20XX年、平穏を取り戻したかと思われた咲鐘湖(さかねこ)学園に新たな災難が降りかかろうとしていた。いつも通りの日常を望むみのあであったが、アニメ世界が現実を飲み込もうと学園全体に侵食し、この世の理を大きく変えてしまっていた。現実のアニメ化を受け入れられないみのあを否定する仲間たち、ついに決別を強いられたみのあの運命は。そして、現実世界を崩壊に導いていたのはまさかの―。

絶望の淵から舞い戻ったみのあの決意を受けて、ネコ先輩は世界を元に戻すべくみのあと共に学園へと走り出す。しかし目の前に現れたのはアニメ世界の侵食を受け大きく形を変えた咲鐘湖学園であった。みのあを説得し世界に引き込もうとするアニ研部の仲間たち。大好きな仲間とアニメへの思い、みのあのアニメガタリが炸裂する。