Nhân vật chính của Angelic Layer là Suzuhara Misaki, 1 học sinh năm nhất trung học (lớp 7) dọn đến Tokyo sống với người cô của mình là Asami Shouko. Sau khi dọn đến thành phố, Misaki đã theo dõi giải đấu Angelic Layer của đài truyền hình Tokyo và cô bé trở nên yêu thích. Cô bé bắt đầu học về giải đấu Angelic Layer nơi mà người chơi (tên goị là Deus) sẽ mua và tự chế tạo con búp bê (goị là Angel) Những Angel sẽ được điều khiển bằng hệ thống điều khiển bằng sóng não và di chuyển trên 1 sân đấu có tên là Layer. Layer rất đắt tiền, với hệ thống internet phủ sóng và trang bị cao.

Rồi sau đó 1 người đàn ông quái dị, mặc 1 bộ áo của nhà khoa học đã đến tìm Misaki, anh ta tự xưng là Mihara Ichiro, song yêu cầu cô bé gọi mình là Icchan (いっちゃん). Anh ta đã giúp đỡ Misaki rất nhiều trong việc thiết kế 1 Angel và chiến đấu. Cô bé đã sáng tạo và đặt tên cho Angel đó dựa theo hình mẫu của bản thân và nhân vật Hikaru trong "Hiệp sĩ phép màu" (Magic Knight Rayearth - một manga khác của Clamp). Misaki mong muốn rằng Hikaru tuy nhỏ bé nhưng sẽ là 1 Angel mạnh mẽ và hạnh phúc nhất.

Ở Tokyo, Misaki theo học tại Học viện Eriol, một học viện dành cho mẫu giáo đến trung học. Tại đó Misaki đã làm quen với Kobayashi Hatoko, 1 cô bé lớp mẫu giáo nhưng rất thông minh và trưởng thành, và cũng là 1 Deus nổi tiếng. Angel của Hatoko là 1 Angel rất mạnh với tốc độ đáng kinh ngạc tên là Suzuka. Misaki cũng trở thành bạn của anh trai của Hatoko là Kobayashi Kotarou và bạn của cậu ấy là Kizaki Tamayo, 1 cô bé với 48 chiêu võ thuật quyến rũ có thể hạ gục cậu bạn Kotarou mọi lúc mọi nơi, 2 người này sau đó đã trở thành bạn cùng lớp với Misaki.

Mặc dù Misaki mới chỉ tham gia Angelic layer được 2 tiếng nhưng Icchan - thực ra chính là một trong những người điều hành Angelic Layer - đã quyết định cho cô bé tham gia giải đấu của Đài truyền hình và tiếp đó là Đại hội toàn Kantou. Với khả năng quan sát và ghi nhớ cực tốt, Misaki nhanh chóng lọt vào top 4 người giỏi nhất Đại hội, chỉ thua trận đầu tiên trước Hatoko.

[Phần sau đây chưa được kiểm chứng]Trong khi đang dần quen với thế giới mới, thì Misaki lại bị trói buộc lại với quá khứ của mình. Suy nghĩ của Misaki giờ lại tập trung về người mẹ của mình, người mà cô bé chưa từng gặp mặt hồi xưa. Cô bé cũng được biết là mẹ cô bé là nằm trong nhóm phát triển của Angelic Layer và với dự án là điềư khiển máy bằng sóng não, mẹ của Misaki đã là chủ tịch của Angelic Layer và đồng thời bà ấy cũng là Deus của Angel Athena - là 1 nhà vô địch của Angelic Layer.

Trong series manga thì mẹ của Misaki trong liên quan gì đến cái ghế chủ tịch và hệ thống sóng não kia và từ đó cũng có 1 kết khác cho manga.