Ein vierzehnjähriges Mittelschulmädchen namens Nico Hayashi besitzt eine bemerkenswerte, autodidaktische Begabung: Sie kann jede Stimme, die sie hört, nachahmen und subtile emotionale Nuancen erkennen, die anderen entgehen. Zunächst nutzt sie diese Fähigkeit, um in gefährliche Situationen einzugreifen, etwa indem sie Männer manipuliert, die junge Mädchen für kompensierte Dates ansprechen, was ihr ein tiefes, etwas zynisches Verständnis für die Heuchelei von Erwachsenen vermittelt. Ihr Leben ändert sich, als ein alternder Gangster ihr einzigartiges Talent erkennt und sie als inoffizielle Spionin und Problemlöserin für verschiedene merkwürdige Fälle anheuert.

Bei der Untersuchung ihres ersten Auftrags trifft Nico auf Iichiro Sudo, einen zwanzigjährigen Mann, der kindlich geblieben ist und in einem Telemarketing-Club arbeitet. Sudo ist besessen davon, Roboterspielzeug zu sammeln und den Anime RoboMax zu schauen, eine Leidenschaft, der er mit fast religiösem Eifer frönt. Nico findet sein nerdiges Enthusiasmus lächerlich, aber gelegentlich nützlich, nennt ihn Robo, und er wird ihr widerwilliger Partner. Während Nico scharfsinnig, frühreif und emotional verschlossen ist, ist Robo naiv, aufrichtig und neigt dazu, in unpassenden Momenten zu weinen oder Slogans wie Max Punch zu rufen. Trotz seines kindischen Auftretens besitzt er ein Auto und eine eigene Wohnung, was ihn zu einem seltsam praktischen Assistenten macht.

Gemeinsam übernehmen Sexy Voice und Robo eine Reihe kurzer, locker verbundener, charaktergetriebener Abenteuer. Die Fälle sind oft melancholisch und bittersüß und drehen sich um einsame oder verzweifelte Menschen. Eine frühe Episode handelt von einem Mann, der sich nur an die letzten drei Tage seines Lebens erinnern kann und eine Tüte Müll als Beweis seiner Existenz mit sich trägt. Eine andere zeigt einen Geist, der Nicos Mutter heimzusuchen scheint, sich aber als mit einer Spritztour mit Robo verbunden herausstellt. Während sie diese Rätsel lösen, nutzt Nico oft ihre Stimme, um Verdächtige zu konfrontieren oder Klienten einen Abschluss zu geben, während Robo angespannte Situationen entschärft, indem er sie auf seine Robotersammlung bezieht, und manchmal Menschen durch absurde Anime-Analogien vom Selbstmord abbringt.

Die Serie spielt im zeitgenössischen urbanen Japan und bewegt sich zwischen Nicos Schule, ihrem Elternhaus, Robos überfüllter Wohnung voller Plastikmodelle und den verschiedenen alltäglichen Orten, an denen ihre Fälle stattfinden. Ein bedeutender Teil der Handlung betrifft die wachsende, wenn auch unwahrscheinliche Bindung zwischen den beiden Hauptfiguren. Obwohl Nico Robo häufig für seine Otaku-Obsessionen und seine verzweifelten, erfolglosen Versuche, eine Freundin zu finden, rügt, bezieht sie ihn weiterhin in ihre Arbeit ein, vielleicht weil er einer der wenigen Menschen ist, die sie nicht verurteilen oder ihr Talent ausnutzen wollen. Unter der Komödie liegt eine dunklere Betrachtung über Leben, Einsamkeit und menschliche Verbindung, die Nico zwingt, Realitäten zu konfrontieren, die weit über ihre Jahre hinausgehen.

Als die elfte und letzte Episode naht, beschließt ihr Auftraggeber, in den Ruhestand zu gehen und zu reisen, wodurch ihr Spionagedienst effektiv aufgelöst wird. An seinem letzten Tag gehen Nico und Robo gemeinsam durch einen Park. Nico erhält einen Anruf und sagt Robo, sie werde ihn morgen sehen. Ein letzter Voice-Off enthüllt jedoch ein ergreifendes und abruptes Ende: Sie trafen sich nicht wieder. Das letzte Mal, als Nico Robo sah, lehnte er an einer Wand und starrte zu den Sternen. Sie sagt, sie habe ihre Stimme nicht gefunden, um ihn zu rufen, und ihre Wege kreuzten sich nie wieder, was ihre seltsame Partnerschaft mit einem Hauch von stiller, ungelöster Verlorenheit beendet.