Bộ phim có bối cảnh diễn ra ở New Townsville. Để ngăn chặn một thảm họa sinh thái, con trai của giáo sư Utonium, Ken Kitzawa Utonium, đã sử dụng hóa chất Z, một thể mới từ hoá chất X ban đầu của Giáo sư, để tiêu diệt một tảng băng trôi khổng lồ. Tuy nhiên, tác động của hoá chất Z đã bức xạ những tia màu đen và trắng xuất hiện trên bầu trời New Townsville. Ba cô gái bình thường Momoko, Miyako và Kaoru, bị tia trắng đánh trúng, biến họ thành Hyper Blossom, Rolling Bubbles, và Powered Buttercup. Tuy nhiên, rất nhiều tia đen khác đã biến những người khác thành kẻ xấu, vì vậy Powerpuff Girls Z phải sử dụng siêu năng lực của mình để bảo vệ New Townsville từ những nhân vật phản diện như Mojo Jojo, Fuzzy Lumpkins, Him,...